近日，中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所離子束生物工程與綠色農業研究中心研究員吳躍進課題組在水稻顯性脆稈Sdbc1基因克隆和功能解析研究中獲進展。相關研究成果以A semi-dominant mutation in OsCESA9 improves biomass enzymatic digestibility and salt tolerance by relatively remodeling cell walls in rice為題，在線發表在Rice上，博士葉亞峰為論文第一作者，副研究員劉斌美為論文共同通訊作者。
水稻是重要的糧食作物，每年會產生較多秸稈，由于秸稈數量多、體積大，其難以在短時間內及時處理，并影響后茬作物播種，成為生產中的棘手問題。水稻細胞壁組分變化常常會導致水稻莖稈抗折性能變化，脆稈突變體收獲時，秸稈更易粉碎；脆稈突變體纖維素含量降低，導致次生細胞壁組成的抗降解屏障能力降低，使秸稈更易被降解，有益于秸稈還田和作為動物飼料利用。
該課題組長期關注利用重離子誘變挖掘細胞壁組分突變基因的研究，并開展秸稈還田和離田利用活動。前期，研究人員利用圖位克隆技術，獲得了控制脆稈特性的基因CEF1，深入解析了其功能；進一步研究發現，OsSND2能夠調控多個與細胞壁合成有關的MYB轉錄因子，是此途徑控制纖維素合成的“總開關”，具有重要的應用價值。
CEF1基因解決了常規稻秸稈還田難題，但對我國主推的雜交水稻來說，由于cef1的隱性遺傳特性，難以直接應用。雜交稻生物量大、應用面積廣，因此，產生的秸稈數量更多，如何處理也具有挑戰性。研究人員利用重離子誘變，獲得了一個半顯性脆稈突變體Sdbc1；通過圖位克隆，發現SDBC1基因編碼的是一個纖維素合成酶催化亞基OsCESA9，在第387位保守的天冬氨酸（D）位點突變成為天冬酰胺（N）。
進一步實驗表明，突變型的OsCESA9D387N蛋白能夠競爭野生型OsCESA9，與OsCESA4和OsCESA7互作，形成沒有功能或部分功能的纖維素合成酶復合體，從而影響纖維素正常合成。在sdbc1純合突變體中，由于只能形成沒有功能的纖維素合成酶復合體，因此，纖維素合成受到嚴重影響，其表型表現出莖稈和葉片都較脆。Sdbc1雜合突變體中，突變型OsCESA9D387N和野生型OsCESA9同時存在，且存在競爭關系，因此，只有一半的纖維素合成酶復合體能夠正常行使功能，導致纖維素含量略微降低，秸稈表現出微脆的表型，而葉片無任何影響。此外，該位點的顯性突變能夠通過降低活性氧（ROS）的水平和體內的Na+含量，增加其耐鹽性。
該研究從分子水平揭示了半顯性脆稈形成機制；為分子設計培育新的脆稈雜交稻品種奠定了理論基礎。該基因應用到雜交稻生產上，尤其是在鹽堿地上種植，具有應用前景。研究工作得到國家自然科學基金青年項目、安徽省重大科技專項以及環境毒理與污染控制技術安徽省重點實驗室開放課題的支持。
圖1.Sdbc1半顯性脆稈突變體表型分析
圖2.Sdbc1基因圖位克隆
圖3.Sdbc1的工作模型
日期：2020-12-28
水稻是重要的糧食作物，每年會產生較多秸稈，由于秸稈數量多、體積大，其難以在短時間內及時處理，并影響后茬作物播種，成為生產中的棘手問題。水稻細胞壁組分變化常常會導致水稻莖稈抗折性能變化，脆稈突變體收獲時，秸稈更易粉碎；脆稈突變體纖維素含量降低，導致次生細胞壁組成的抗降解屏障能力降低，使秸稈更易被降解，有益于秸稈還田和作為動物飼料利用。
該課題組長期關注利用重離子誘變挖掘細胞壁組分突變基因的研究，并開展秸稈還田和離田利用活動。前期，研究人員利用圖位克隆技術，獲得了控制脆稈特性的基因CEF1，深入解析了其功能；進一步研究發現，OsSND2能夠調控多個與細胞壁合成有關的MYB轉錄因子，是此途徑控制纖維素合成的“總開關”，具有重要的應用價值。
CEF1基因解決了常規稻秸稈還田難題，但對我國主推的雜交水稻來說，由于cef1的隱性遺傳特性，難以直接應用。雜交稻生物量大、應用面積廣，因此，產生的秸稈數量更多，如何處理也具有挑戰性。研究人員利用重離子誘變，獲得了一個半顯性脆稈突變體Sdbc1；通過圖位克隆，發現SDBC1基因編碼的是一個纖維素合成酶催化亞基OsCESA9，在第387位保守的天冬氨酸（D）位點突變成為天冬酰胺（N）。
進一步實驗表明，突變型的OsCESA9D387N蛋白能夠競爭野生型OsCESA9，與OsCESA4和OsCESA7互作，形成沒有功能或部分功能的纖維素合成酶復合體，從而影響纖維素正常合成。在sdbc1純合突變體中，由于只能形成沒有功能的纖維素合成酶復合體，因此，纖維素合成受到嚴重影響，其表型表現出莖稈和葉片都較脆。Sdbc1雜合突變體中，突變型OsCESA9D387N和野生型OsCESA9同時存在，且存在競爭關系，因此，只有一半的纖維素合成酶復合體能夠正常行使功能，導致纖維素含量略微降低，秸稈表現出微脆的表型，而葉片無任何影響。此外，該位點的顯性突變能夠通過降低活性氧（ROS）的水平和體內的Na+含量，增加其耐鹽性。
該研究從分子水平揭示了半顯性脆稈形成機制；為分子設計培育新的脆稈雜交稻品種奠定了理論基礎。該基因應用到雜交稻生產上，尤其是在鹽堿地上種植，具有應用前景。研究工作得到國家自然科學基金青年項目、安徽省重大科技專項以及環境毒理與污染控制技術安徽省重點實驗室開放課題的支持。
圖1.Sdbc1半顯性脆稈突變體表型分析
圖2.Sdbc1基因圖位克隆
圖3.Sdbc1的工作模型
日期：2020-12-28
