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SRN1-Tre6P-SnRK1正向调控回路协调水稻源-库碳源分配的机制研究

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由于世界人口不断增加和环境的持续恶化，预计到2050年，作物的产量必须翻倍才能满足全球对粮食的需求。源-库互作的过程是作物产量形成的实质，利用常规育种或基因工程改善植物源-库关系在作物高产遗传改良中具有重大的潜力。改善作物源产量、物质运输能力（流）和库容量的主要研究策略包括：增源，例如增加作物的光合速率或同化物的总量；促进同化物的源-库流动和扩大库容等。但是，源、库、流三者之间相互促进、影响和制约，仅仅从一个方面改善作物，往往难以达到预期的增产目标，甚至造成减产。因此，必须要从整体的层面协调三者的关系，达到源足、库强和畅运。最近，海藻糖-6-磷酸（Tre6P）在植物中被证实可以优化源-库关系，并且在高产育种中展现出重大应用前景。Tre6P作为植物体内蔗糖水平的信号分子，可以抑制植物能量感受器SnRK1的转录表达和酶学功能。Tre6P和SnRK1反馈调控蔗糖的分配方式以平衡植物的生长发育。本研究在水稻中鉴定了一个受糖信号诱导表达的转录因子SRN1，其通过SRN1-Tre6P-SnRK1调控回路调节碳源在源-库之间分配。具体研究结果如下： 1.NAC转录因子SRN1在mRNA和蛋白水平上响应外源糖信号，且SRN1在水稻组织和节律中的表达水平与内源糖水平呈正相关。荧光素酶活实验、免疫印迹实验和活体GFP荧光信号观察均证实SRN1是一个糖信号诱导表达的转录因子。 2.基于CRISPR/Cas9技术创制的SRN1突变体crsrn1和T-DNA插入突变体srn1表现出一致的植株矮化、分蘖减少、抽穗延迟，库器官穗和种子等变小，源器官叶片光合速率降低且非结构性碳水化合物含量显著升高，从而导致单株产量降低30%以上。OxSRN1株系除了抽穗期和株高外，和crsrn1或srn1表现出相反的表型。相较于野生型，过表达OxSRN1株系单株产量相比野生型增加16%以上。苗期crsrn1幼苗表现出生长抑制，和碳饥饿处理下的NIP幼苗表型相似，且外施蔗糖可以部分回复碳饥饿处理下的NIP幼苗的生长抑制现象，却加剧对crsrn1幼苗生长的抑制作用，表明可能是叶片中糖的过量积累抑制了crsrn1的生长发育。 3.SRN1可以和植物体内能量状态的感受器SnRK1a相互蛋白-蛋白互作。激酶和蛋白体外降解实验表明His-SnRK1a可以通过介导GST-SRN1的磷酸化调控GST-SRN1蛋白的稳定性。crsnrk1a株系和OxSRN1株系表现相似的表型，且在crsnrk1a株系中SRN1表达量显著升高。在OxSRN1中SnRK1a的表达量显著降低，且在crsrn1中SnRK1a的表达量降低，表明SnRK1和SRN1在遗传和转录水平相互拮抗。 4.crsrn1中海藻糖水平升高，Tre6P水平降低，在OxSRN1则相反。SRN1可以直接阻遏海藻糖-6-磷酸磷酸化酶TPP1基因的转录，且TPP1基因在组织、节律和糖响应中的表达模式和SRN1相反。同时，crtpp1和OxSRN1在农艺性状、海藻糖水平和Tre6P水平等方面表现出相似的表型。在srn1中敲除TPP1基因，可以部分回复srn1的抑制生长表型。结果表明SRN1通过抑制TPP1基因促进水稻的生长发育。 5.在抽穗期的NIP和OxSRN1中外施海藻糖可以增加其源器官剑叶中瞬时淀粉、可溶性糖和NSC水平。外施海藻糖还可以造成库器官谷粒重和灌浆速率的下降。糖转运相关基因在crsrn1和外施海藻糖的NIP表达量降低，在OxSRN1中表达量升高，表明海藻糖可以将碳源留在源器官中，即SRN1通过调控组织内海藻糖的水平从而促进碳源从源到库的分配。 6.浙江杭州和江苏连云港2年的田间产量测试结果表明，在NIP、中水01和南粳46中超表达SRN1可优化植株的源-库关系，相比对照品种增产达11%以上。表明SRN1在作物高产育种中具有重要潜力。 本研究证实了受糖信号诱导表达的转录因子SRN1可以直接抑制藻糖-6-磷酸磷酸化酶TPP1基因的表达，从而增加Tre6P和减少海藻糖的水平，最终通过激活糖转运相关基因的表达促进碳源从源器官向库器官的转运。与此同时，鉴于Tre6P可以抑制受低碳诱导SnRK1a的转录表达和酶活，且SnRK1a介导的SRN1的磷酸化和降解又促进Tre6P的积累，三者形成一个SRN1-Tre6P-SnRK1调控回路来感知糖的水平，并通过源-库调控维持糖的稳态，优化源-库关系。SRN1在作物高产育种中具有广泛应用前景。

李志永

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水稻 海藻糖-6-磷酸 糖稳态 碳源分配 NAC 稻谷产量

博士

生物化学与分子生物学

张健、胡红红

2021

华中农业大学

中文

S5