OsSAE1调控赤霉素（gibberellin）和脱落酸（abscisic acid）信号通路之间的相互拮抗关系，从而控制水稻种子的萌发过程

《Journal of Integrative Plant Biology》：OsSAE1 orchestrates the antagonistical regulation of gibberellin and abscisic acid signaling to control rice seed germination

水稻种子发芽受ABA和GA平衡调控，OsSAE1通过直接激活GA合成基因OsKS1和抑制分解基因OsGA2ox3调节GA水平，促进发芽。实验表明OsSAE1敲除突变体发芽延迟，外源GA可恢复表型，且OsSAE1与OsABI5及OsSLR1互作，形成ABA-GA拮抗网络，调控种子休眠与发芽。不同OsSAE1等位基因（Hap1/Hap2）影响表达水平，Hap1携带品种发芽率显著更高，为稻作育种提供新靶点。

　　植物生命周期和作物产量的潜力始于成功的种子萌发，这一过程需要保持脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）这两种植物激素之间的最佳平衡。本文研究揭示了水稻（*Oryza sativa* L.）中一种APETALA 2型转录因子SALT AND ABA RESPONSE ERF 1（OsSAE1）如何通过拮抗调控ABA和GA信号通路来控制种子萌发。研究发现，敲除OsSAE1会导致种子萌发延迟，伴随着GA信号抑制因子SLENDER RICE1（OsSLR1）的积累；值得注意的是，GA的应用可以恢复OsSAE1突变体种子萌发的缺陷。OsSAE1直接激活GA生物合成基因OsKS1的转录，并抑制GA代谢基因OsGA2ox3的转录，从而提高GA水平。此外，OsSLR1与ABA信号组件ABA-INSENSITIVE 5（OsABI5）发生物理相互作用，增强OsABI5对靶基因的转录激活能力，进而调控种子萌发。OsSAE1的表达时间模式支持其在调控种子萌发和种子休眠中的协调作用。不同OsSAE1等位基因在OsSAE1转录水平和种子萌发率上表现出差异性，这表明优良的OsSAE1等位基因在种子萌发的遗传改良中具有潜力。总体而言，本研究揭示了OsSAE1通过调控ABA和GA之间的平衡来控制水稻种子萌发的机制，为培育适合直接播种的水稻品种提供了关键的筛选目标。

种子萌发是植物生命周期的起点，对植物发育和作物生产起着决定性作用。快速且均匀的种子萌发往往赋予新生幼苗明显的生长优势和更强的抗逆境能力，从而减少幼苗死亡并提高产量。水稻作为一种重要的全球作物，直接播种相较于传统的移栽方式具有更低的经济成本和劳动成本。然而，直接播种的有效性依赖于高种子萌发率。因此，在任何旨在通过水稻育种改善种子萌发的尝试之前，识别与种子萌发相关的关键基因并解析其作用机制是必不可少的。种子萌发受到环境信号和内在信号的调控，尤其是多种植物激素。ABA和GA是调控种子萌发的两种主要植物激素，它们在种子萌发过程中表现出拮抗作用。已有大量研究表明，ABA的生物合成和信号传导在种子吸胀阶段被抑制，而GA的生物合成和信号传导则被激活，这表明种子中ABA和GA的精确平衡是种子萌发的关键决定因素。

ABA和GA之间的复杂互作是种子萌发调控的核心机制之一。例如，在拟南芥中，AtMYB96这种转录因子通过抑制ABA生物合成基因的表达并促进GA生物合成基因的表达，从而负向调控种子休眠。在水稻中，OsPK5通过影响糖酵解代谢和ABA/GA平衡改善种子萌发。OsMFT1则通过调控ABA信号和GA生物合成防止盐胁迫下的种子萌发。这些研究证明了ABA和GA的生物合成与信号传导在调控种子休眠和萌发中的重要性。AP2/ERF转录因子是植物中一个庞大的转录因子家族，它们在植物发育的各个阶段以及对多种生物和非生物胁迫的响应中发挥重要作用。大量证据表明，AP2/ERF转录因子在ABA和GA之间的拮抗作用中具有关键作用。例如，AtABI4作为一种ABA信号通路中的AP2转录因子，通过调控ABA和GA的生物合成抑制种子萌发。此外，AtRGL2作为一种GA信号抑制因子，能够与AtABI4相互作用并稳定其结构，从而增强AtABI4对靶基因的转录激活能力，调控种子萌发。同样，玉米的AP2/ERF成员ZmEREB20通过调控与ABA和GA相关的基因表达，在盐胁迫下控制种子萌发。水稻的AP2样转录因子OsAP2-39直接调控关键的ABA生物合成基因OsNCED1的表达，以及GA失活酶EUI1的表达，从而影响植物生长和种子产量。

在先前的研究中，我们已经证明AP2/ERF蛋白OsSAE1通过抑制OsABI5的转录来促进种子萌发。为了进一步探讨OsSAE1是否通过调控GA与ABA之间的拮抗作用来调控水稻种子萌发，我们研究了OsSAE1对种子萌发过程中ABA和GA信号通路的调控作用。实验发现，OsSAE1通过激活GA生物合成基因OsKS1的表达，同时抑制GA代谢基因OsGA2ox3的表达，从而促进生物活性GA的积累，导致GA信号抑制因子OsSLR1的降解，从而减弱OsABI5对靶基因的转录激活能力，最终促进种子萌发。这一结果表明，OsSAE1可能在调控种子萌发和休眠方面发挥着关键的开关作用。

此外，我们还发现OsSLR1与OsABI5之间存在物理相互作用。OsSLR1作为水稻中唯一的DELLA蛋白，DELLA蛋白在植物中作为转录因子的共因子发挥作用。OsABI5在GA诱导的种子萌发中起着至关重要的作用，这表明OsSLR1可能通过增强OsABI5的转录激活能力来调控种子萌发。为了验证这一点，我们进行了多种实验，包括酵母双杂交（Y2H）实验、体外拉下实验（pull-down assay）、免疫共沉淀（Co-IP）实验和双分子荧光互补（BiFC）实验，均显示OsSLR1与OsABI5存在直接的物理相互作用。进一步的实验表明，OsSLR1能够显著增强OsABI5对靶基因的转录激活能力。这一发现表明，OsSLR1与OsABI5的相互作用在调控种子萌发过程中具有重要作用。

OsSAE1在调控种子萌发过程中可能具有双重功能，即同时激活和抑制某些基因的表达。我们通过酵母转录激活实验发现，OsSAE1在酵母细胞中表现出转录激活活性。为了进一步验证其抑制活性，我们构建了GAL4DB-VP16-OsSAE1，发现其相对荧光素酶（LUC）活性显著低于对照组GAL4DB-VP16。这表明OsSAE1同时具有转录激活和抑制活性。通过检测不同转基因株系的GA含量，我们发现OsSAE1过表达株系中的GA前体（如GA19、GA24、GA44和GA53）以及生物活性GA（如GA3和GA4）含量显著高于野生型株系Nip，而OsSAE1突变株系中的这些GA含量则显著低于野生型株系。这进一步支持了OsSAE1通过调控GA生物合成和代谢基因的表达来调节生物活性GA水平的观点。

OsSAE1的表达时间模式也对其调控种子萌发和休眠的功能至关重要。在种子萌发过程中，OsSAE1的表达水平逐渐升高，而OsABI5和OsPRR95的表达水平则逐渐下降。这表明OsSAE1在种子萌发和休眠调控中可能具有时间协调的功能。通过构建不同OsSAE1等位基因的重组近等基因系（RIL），我们发现携带OsSAE1优良等位基因Hap1的水稻品种具有更高的种子萌发率，而携带Hap2的品种则表现出较低的萌发率。这表明OsSAE1的优良等位基因Hap1可能在水稻育种中具有重要价值，特别是在提高种子萌发率方面。这一发现为培育适合直接播种的水稻品种提供了重要的理论依据。

水稻作为全球超过一半人口的主食作物，其种植方式对农业生产至关重要。直接播种相较于传统移栽方式具有更低的成本和更高的效率，但在不同胁迫条件下，种子活力可能成为限制其应用的关键因素。因此，识别与种子活力相关的基因并解析其作用机制，对于水稻育种具有重要意义。本研究通过系统分析OsSAE1在调控ABA和GA信号通路中的作用，揭示了其在种子萌发中的关键角色。OsSAE1通过调控GA生物合成和代谢基因的表达，从而影响生物活性GA的水平，最终调控种子萌发。此外，OsSAE1的表达时间模式也表明其在调控种子萌发和休眠中的时间协调作用。

OsSAE1的优良等位基因Hap1在水稻品种中具有较高的表达水平，这表明其可能在水稻育种中具有重要价值。通过构建携带Hap1等位基因的RIL系，我们发现其在遗传背景为粳稻的水稻品种中表现出更高的种子萌发率，这表明Hap1等位基因可能成为水稻育种中的关键目标。此外，OsSAE1的表达水平在不同水稻品种中存在差异，这可能与其启动子区域的多态性有关。因此，研究OsSAE1的启动子区域的多态性及其对种子萌发的影响，为水稻育种提供了新的思路。

本研究不仅揭示了OsSAE1在调控种子萌发中的作用机制，还为水稻育种提供了新的基因靶点。OsSAE1通过调控GA生物合成和代谢基因的表达，从而影响生物活性GA的水平，最终调控种子萌发。这一发现加深了我们对ABA和GA拮抗调控机制的理解，为通过直接播种提高水稻产量提供了理论支持。此外，OsSAE1的优良等位基因Hap1在水稻育种中具有重要价值，特别是在提高种子萌发率方面。通过利用OsSAE1的优良等位基因，我们可以培育出更适合直接播种的水稻品种，从而提高农业生产效率和作物产量。