近日，华南农业大学生命科学学院陶利珍/刘太波研究团队在国际植物学领域著名期刊Plant Biotechnology Journal（IF:13.8）发表了题为“Overexpression of OsACL5 triggers environmentally-dependent leaf rolling and reduces grain size in rice”的论文，揭示了热精胺合成酶基因OsACL5通过介导体内多胺稳态，进而调控水稻叶片呈温度/光照/湿度依赖性近轴侧卷叶，且影响水稻籽粒大小和产量的机理，为水稻环境适应与产量性状改良方面提供了新思路。
植物多胺（Polyamine，PA）是一类含有两个或两个以上氨基的高生物活性小分子脂肪族化合物，常见的多胺主要包括腐胺（Put）、亚精胺（Spd）、精胺（Spm）及其异构体热精胺（T-Spm）。多胺在细胞分裂、维管发育、花粉发育、果实成熟、衰老，以及生物胁迫和非生物胁迫响应中发挥重要作用。有研究表明，多胺动态平衡的维持对植物生长发育具有重要作用。ACL5编码的热精胺合成酶催化Spd合成T-Spm。目前未见水稻OsACL5生物学功能的相关报道。
该研究首先明确了水稻OsACL5介导了T-Spm的合成。有趣的是，作者发现在天气晴朗的中午（高温/强光照/低湿度），OsACL5过表达植株叶片呈类葱状沿近轴侧内卷，而在凉爽的早晨或晚上（低温/弱光照/高湿度），其叶片又恢复平展状态。通过设计系列不同的温度、光照强度和湿度组合实验，发现温度是导致卷叶的主要因素。组织切片结果显示过表达植株叶片的中脉和第一个大维管束的后生木质部变小，另外其根系后生木质部导管变小且数目减少，可能影响水分运输导致卷叶（图1）。
图1
另外，还发现OsACL5敲除突变体的籽粒变长、千粒重增加和小区产量提高8%~12%，而过表达的籽粒变小、千粒重减少和小区产量下降23%~27%。扫描电镜结果表明，种子颖壳表皮细胞变小是导致过表达的籽粒变窄变短的原因；相反，突变体的颖壳表皮细胞变长导致籽粒变长。同时，发现调控籽粒大小的重要基因OsDEP1，OsGS3和OsGW2可能参与OsACL5介导的籽粒大小发育过程（图2）。
图2
此外，单倍型分析结果表明，OsACL5有7种单倍型，在粳稻中以单倍型1为主，籼稻中以单倍型2为主。内源多胺含量测定结果表明，粳稻中的Put和Spd的含量普遍高于籼稻，且T-Spm含量在籼粳中都保持一个很低水平，说明T-Spm在水稻籼粳驯化过程中是功能保守的（图3）。而且，还发现乙烯生物合成途径可能通过竞争共同的底物脱羧腺苷甲硫氨酸dcSAM抑制T-Spm的生物合成，参与籽粒大小调控等生物学过程（图4）。
综上所述，该论文的结果首次揭示了OsACL5介导体内多胺稳态，进而调控水稻叶片呈环境依赖性卷叶、及籽粒大小和产量，为水稻在环境适应与产量性状的改良方面提供了新思路。
华南农业大学生命科学学院2019级已毕业硕士麦华富（资源环境学院2022级在读博士）和2021级硕士秦湉为该论文的共同第一作者。刘太波副教授为该论文的通讯作者；刘慧丽副研究员也参与了该研究，这项工作得到课题组陶利珍教授的支持与指导。该工作得到“十四五”广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目(2022SDZG05)，广东省自然科学基(2023A1515010439，2019A1515011556)，国家级自然科学基金(91535101，31600217)等项目的资助。
图4：C3和C4植物中SODs的自然变异影响miR528的切割效率
原文链接：
https://doi.org/10.1111/pbi.14227
文章来源：植物生物技术Pbj
