水稻风味品质调控新机制：OsGATA7与 SMOS1 的协同作用

为探究水稻风味品质形成机制，中国水稻研究所研究人员开展了关于 OsGATA7和 SMOS1 对水稻风味品质影响的研究。结果发现二者协同调控水稻风味品质，鉴定出优势单倍型。这为改善水稻风味品质育种提供理论依据。

　　水稻，作为全球超二十亿人的主食，其风味品质直接影响着消费者的喜好和市场价值。想象一下，端上桌的米饭，有的口感软糯、香气扑鼻，让人食欲大增；而有的却口感不佳，难以入口。一直以来，尽管消费者对米饭的口味有着明确的偏好，但米饭风味品质形成的内在机制却如同隐藏在迷雾之中。淀粉和蛋白质作为水稻籽粒的重要组成部分，分别约占籽粒重量的 80 - 85% 和 4 - 10%，它们对米饭的理化和质地特性起着决定性作用。其中，蛋白质含量与米饭的风味品质呈负相关，然而，关于米饭风味品质究竟是如何形成的，以及背后的分子机制，在很大程度上仍是未解之谜。在这样的背景下，为了揭开水稻风味品质形成机制的神秘面纱，中国水稻研究所的研究人员展开了深入的探索。

研究人员围绕 OsGATA₇和 SMOS1 这两个关键因素，开展了一系列实验研究。最终，他们发现了一个由 OsGATA₇ - SMOS1 - 蛋白质含量模块介导的水稻风味品质调控机制，并鉴定出了优势单倍型 OsGATA^Hapl和 SMOS1^Hap1，这对于提升水稻风味品质具有重要意义。该研究成果发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是基因编辑技术（CRISPR/Cas9），通过构建载体对 OsGATA₇和 SMOS1 进行基因编辑，获得相应的突变体；其次是转录组分析技术，包括 RNA 测序（RNA - seq）和实时荧光定量聚合酶链式反应（RT - qPCR），用于分析基因的表达变化；还有染色质免疫共沉淀测序（CUT&Tag）技术，以此鉴定基因的结合位点；另外，通过酵母单杂交、电泳迁移率变动分析（EMSA）和双荧光素酶报告基因检测等实验，研究蛋白质与基因启动子之间的相互作用。

下面来看具体的研究结果：

1. OsGATA₇调节水稻籽粒外观和风味品质：研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术构建了 osgata₇突变体和互补系。与野生型相比，突变体的垩白粒率、垩白度增加，淀粉颗粒结构和大小改变，直链淀粉含量（AC）、胶稠度（GC）等理化指标也发生变化。同时，突变体米饭的咀嚼性、胶粘性下降，口感变差，蛋白质含量升高。这表明 OsGATA₇不仅调控水稻农艺性状，还影响米饭的膨胀、质地特性以及风味评分。
2. OsGATA₇的自然变异影响风味品质的形成：从 3K 水稻种质资源中筛选出 10 种 OsGATA₇单倍型，重点研究 Hap1 和 Hap2。发现 Hap1 单倍型表达相对较高，携带 Hap1 的水稻材料蛋白质含量较低，风味值较高。通过构建导入系和过表达系进一步验证，表明 OsGATA₇是水稻风味评分的正调控因子。
3. OsGATA₇直接结合 SMOS1 启动子并激活其转录：通过 RNA - seq 和 CUT&Tag 实验，研究人员发现 SMOS1 是 OsGATA₇的靶基因。酵母单杂交、EMSA 实验证实 OsGATA₇能与 SMOS1 启动子结合，RT - qPCR 和双荧光素酶报告基因检测表明 OsGATA₇可激活 SMOS1 转录。这一系列实验表明 SMOS1 是 OsGATA₇的靶基因，且 OsGATA₇直接结合其启动子并激活转录。
4. OsGATA₇和 SMOS1 协同调节水稻外观和风味品质：构建 smos1 突变体和 osgata₇ smos1 双突变体，与野生型相比，突变体的垩白粒率、垩白度增加，淀粉和蛋白质含量改变，米饭的质地和膨胀特性变化，风味值和适口性下降。这表明 OsGATA₇和 SMOS1 协同调控水稻外观和风味品质。
5. SMOS1 的自然变异影响风味品质的形成：分析 1986 份水稻种质资源中 SMOS1 的序列，鉴定出 12 种单倍型，重点研究 Hap1 - Hap4。发现 Hap1 主要存在于高纬度地区的粳稻品种中，且 Hap1 的表达水平较高。携带 Hap1 的水稻材料蛋白质含量较低，风味值较高，通过构建导入系进一步验证了 Hap1 有助于改善水稻风味品质。
6. SMOS1 过表达提高风味值：构建 SMOS1 过表达系，与野生型相比，过表达系的垩白粒率、垩白度增加，但米饭的伸长率、粘附力、风味评分、外观和适口性提高，蛋白质含量降低。这表明 SMOS1 是水稻风味品质的正调控因子。
7. OsGATA₇ - SMOS1 模块通过抑制蛋白质生物合成基因的表达来改善风味品质：RNA - seq 和 KEGG 通路富集分析表明，SMOS1 功能缺失影响蛋白质合成相关通路。CUT&Tag、酵母单杂交和 qRT - PCR 实验显示，SMOS1 可结合并抑制 OsGluA₂等蛋白质合成相关基因的表达。构建含有不同 OsGluA₂单倍型的导入系，发现其蛋白质含量和风味值发生相应变化。由此提出模型，OsGATA₇激活 SMOS1 转录，SMOS1 招募 PRC2 复合体抑制蛋白质生物合成基因的表达，进而影响氨基酸组成和水稻风味品质。

综合上述研究，研究人员成功揭示了由 OsGATA₇ - SMOS1 - 蛋白质含量模块介导的水稻风味品质调控机制。这一发现不仅加深了人们对水稻风味品质形成机制的理解，还为水稻品质改良提供了重要的理论基础和潜在的分子靶点。通过对优势单倍型 OsGATA^Hapl和 SMOS1^Hap1的鉴定，为水稻育种提供了新的思路和方向，有望培育出风味品质更优的水稻品种，满足消费者对优质大米的需求。此外，该研究也为其他作物品质调控机制的研究提供了借鉴，推动了作物遗传育种领域的发展。