四川农业大学孙昌辉/王平荣/邓晓建团队探明GFD1通过糖转运途径调控水稻灌浆期、籽粒大小和穗粒数的新机制
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阅读： 2022/12/13 10:10:21
植物光合作用合成的碳水化合物为人类提供了赖以生存的能量和物质基础。水稻是最重要的粮食作物之一，协调水稻碳水化合物的同化（源/叶片）、运输（流/茎秆）和存储（库/籽粒）平衡对于进一步提高水稻的产量具有重要意义。然而，水稻中碳水化合物（淀粉、蔗糖等）的转运、分配及其分子机制，至今仍不清楚。
近日，四川农业大学孙昌辉/王平荣/邓晓建团队在国际著名期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为“MATE transporter GFD1 cooperates with sugar transporters, mediates carbohydrate partitioning, and controls grain filling duration, grain size and number in rice”的研究论文。该研究克隆了一个水稻MATE转运蛋白基因GFD1，发现其编码蛋白与糖转运蛋白OsSUT2和OsSWEET4合作介导碳水化合物的转运和分配，从而控制水稻灌浆期、籽粒大小和穗粒数等重要农艺性状（图1）。
图1 gfd1表型鉴定
该研究发现一个水稻突变体gfd1，它表现出籽粒灌浆期延长、穗粒数减少和籽粒变大等特征；基因图位克隆、功能验证和表达分析表明，GFD1编码一个MATE类转运蛋白，主要在茎杆维管束及颖壳、小穗轴和籽粒背部维管束等物质转运的关键组织中高表达（图2）。
图2 GFD1的表达模式和亚细胞定位
有意思的是，GFD1的突变打乱了水稻茎秆和籽粒中碳水化合物的分布平衡，导致茎秆中淀粉颗粒大量积累，蔗糖含量降低；籽粒中淀粉含量降低，蔗糖含量增加（图3）。同时，淀粉合成和糖转运相关基因表达量在gfd1茎秆和籽粒中表现出相反的变化趋势。此外，gfd1茎秆中淀粉颗粒积累会在灌浆完成后消失（图3）。以上结果揭示GFD1的功能与糖类物质的转运和淀粉积累相关。
图3 GFD1调控碳水化合物在水稻中的分布
进一步研究表明，GFD1蛋白可定位于质膜和高尔基体（图2）；酵母双杂、LCI、BiFC等实验证实GFD1可与2个糖转运蛋白（OsSWEET4和OsSUT2）相互作用（图4）。
图4 GFD1与糖转运蛋白互作
遗传学分析表明，GFD1可能通过OsSWEET4控制籽粒灌浆期，通过OsSUT2调控籽粒大小，并与OsSUT2和OsSWEET4协同调节每穗粒数（图5）。
图5 GFD1、OsSUT2和OsSWEET4参与相同遗传通路
总之，GFD1、OsSUT2、OsSWEET4等3个最初被归为MFS家族的转运蛋白，可以共同调控淀粉在水稻临时库（茎秆）和最终库（籽粒）中的存储，并通过蛋白互作的方式影响碳水化合物在各器官中的分布平衡，从而调控水稻灌浆期、籽粒大小和穗粒数等重要农艺性状，显著影响水稻产量。该成果有望从碳水化合物的源、库、流分配角度，为水稻高产育种提供新思路。
四川农业大学孙昌辉副教授、博士生王洋（现在西昌学院工作）、杨晓蓉、万春美、硕士生刘继清、中科院遗传发育所博士生唐露为论文的共同第一作者；四川农业大学孙昌辉副教授、王平荣教授、邓晓建教授为论文共同通讯作者，中科院遗传发育所周奕华研究员为该研究提供了指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金重大研究计划培育项目、集成项目、面上项目及四川省科技计划项目的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13976
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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