近日，湖北大学生命科学学院袁文雅/李燕团队在Plant Communications在线发表了题为OsSPL14 and OsNF-YB9/YC8-12 subunits cooperate to enhance grain appearance quality through promoting Waxy and PDIL1-1 expression in rice的研究论文。该研究发现水稻绿色高产候选基因OsSPL14具有正向调控水稻种子外观品质的重要功能。该研究有助于丰富OsSPL14的生物学功能和分子调控网络，为我国高产优质水稻分子设计育种提供宝贵的基因资源和理论支撑，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
1. 研究背景
垩白(Chalkiness)是由于水稻谷物灌浆不充分导致胚乳组织填充不紧实、出现散光而呈现的白色不透明部分，是影响水稻外观品质的主要因素之一。垩白米透明度降低，米质疏松，加工时易破碎，直接影响加工后的精米产量。同时垩白米食味和营养品质差，商品流通性和市场价值降低，是制约我国水稻优质达标率的主要限制因子之一。因此，降低垩白是水稻优质遗传改良的全球共同育种目标。SQUAMOSA启动子结合蛋白编码基因OsSPL14 (Squamosa Promoter Binding Protein-Like 14)，也被称为理想株型基因IPA1 (Ideal Plant Architecture 1)，是近年来水稻中发现的具有控制理想株型和高产形成的重要调控基因。然而尚未有任何研究报道过OsSPL14参与调控稻米的外观品质，尤其是垩白形成的过程。
2. 研究内容
基于此疑问，研究人员利用CRIPSR/Cas9基因编辑技术创建了OsSPL14的功能缺失突变体osspl14-cri，同时构建了过量表达株系OsSPL14-OE。胚乳内容物检测结果显示，osspl14-cri胚乳中总淀粉和直链淀粉含量均显著降低，蛋白质含量上升；OsSPL14-OE则与之相反。对其成熟的籽粒观察发现，osspl14-cri胚乳淀粉颗粒形态异常，籽粒垩白度和垩白率显著上升；而OsSPL14-OE胚乳的淀粉粒形状规则、排列致密，垩白率和垩白度显著低于野生型（图1）。以上结果表明，OsSPL14是一个稻米外观品质性状的正调控因子，在贮藏物质的积累和淀粉颗粒的形成过程中发挥着重要的作用。
图1. 野生型，osspl14-cri和OsSPL14-OE胚乳储藏物质的含量及空间排列比较
为进一步解析OsSPL14调控稻米垩白形成的分子基础和遗传机理，研究人员利用定量PCR，对50多个胚乳营养储存物代谢基因进行检测。分析显示，OsSPL14的功能缺失导致许多淀粉合成基因及胚乳蛋白代谢基因的表达发生显著改变，包括颗粒淀粉合成酶编码基因Waxy (Wx)和蛋白质二硫键异构酶编码基因PDIL1-1。后续通过酵母单杂交、荧光素酶激活，凝胶阻滞及染色质免疫共沉淀实验，共同证实OsSPL14可结合在Wx和PDIL1-1的启动子区域的GTAC顺式作用元件上，激活其表达。同时，利用酵母双杂技术，研究人员筛选到OsSPL14的互作蛋白-核因子OsNF-YB9及OsNF-YC8、9、10、11、12。转录激活实验表明，OsSPL14与核因子复合体OsNF-YB9/YC8-12相互作用，促进Wx和PDIL1-1的转录。转基因试验证实，与野生型相比，OsNF-YB9和OsNF-YC8-12基因编辑突变体的籽粒垩白显著增加，胚乳内营养物质积累发生改变，说明OsSPL14协同核因子OsNF-YB9/YC8-12，结合Waxy和PDIL1-1，共同调控籽粒胚乳储藏物质积累，进而影响水稻种子垩白的形成（图2）。
图2. OsSPL14-OsNF-YB9/YC8-12复合体通过调控Wx和PDIL1-1的表达来影响水稻籽粒的外观品质
长期以来，袁文雅/李燕团队专注于深入挖掘和解析与水稻产量、品质、抗性相关的水稻基因的功能。前期，该团队已证实OsSPL14与水稻分蘖、粒型和产量相关。根据对前期积累的OsSPL14相关转基因株系的表型观察，以及OsSPL14基因的组织表达特点，该团队发现OsSPL14不仅作为产量的正调节因子起作用，还可能作为垩白性状的抑制因子，正调控稻米的外观品质，暗示OsSPL14可实现同时提升稻米产量和外观品质，对于高品质水稻品种的培育具有极大的应用价值。这些研究结果将有助于进一步完善稻米垩白形成的分子调控网络，对解析水稻产量和品质性状的遗传机制、指导水稻的遗传改良、保障我国中长期粮食安全，具有重要的理论意义和实际应用价值。
3. 作者团队
湖北大学生命科学学院李燕博士后（现为湖北大学副教授）为论文第一作者，湖北大学生命科学学院袁文雅教授为该文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目(32472141, 32101746)和湖北省自然科学基金项目(JCZRLH202500540, 2021CFB033)的资助。
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