揭秘水稻粒宽调控新机制：GW4 与 GS2 携手掌控谷粒发育密码

为解析水稻粒宽遗传和分子机制，研究人员以 gw4 突变体为对象开展研究。结果发现 GW4 编码精氨酸酶，受 GS2 调控，通过影响细胞周期和扩张基因控制粒宽。该成果为水稻分子育种提供新靶点1222。

　　在广袤的稻田里，水稻作为全球一半人口的主食，其产量和品质一直是科研人员关注的焦点。粒宽是影响水稻产量和外观品质的重要因素，细长粒型的水稻在一些地区更受市场青睐 。然而，尽管科学家们已经克隆了上百个与水稻粒型相关的基因，但真正深入了解其调控机制的却不多，尤其是控制粒宽的遗传和分子机制，仍然像是被一层神秘的面纱所笼罩，亟待揭开。

在这样的背景下，中国水稻研究所的研究人员决心深入探索，开启了这场意义非凡的科研之旅。他们的研究成果发表在《Plant Growth Regulation》上，为水稻粒宽调控机制的研究带来了新曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是图位克隆技术（Map-based cloning），通过构建杂交群体，将目标基因 GW4 定位到染色体的特定区域。接着，利用 RNA 测序（RNA-seq）技术，全面分析基因表达差异，探寻 GW4 调控粒宽的分子通路。还有染色质免疫沉淀 - 定量聚合酶链式反应（ChIP-qPCR）和电泳迁移率变动分析（EMSA）等技术，用于研究基因的转录调控机制345。

下面让我们一起深入了解研究结果。

• gw4 突变体的鉴定与特征：研究人员从粳稻品种 “中花 11”（ZH11）的甲基磺酸乙酯（EMS）突变体库中，成功分离出窄粒突变体 gw4。在自然田间环境下，gw4 表现出植株变矮、粒宽变窄、叶片变窄和分蘖数增加的特征。与野生型 ZH11 相比，其株高降低 26.45%，粒宽减少 11.49%，千粒重下降 26.67%，穗长缩短 25.87%，而分蘖数增加了 91.1% ，但粒长没有显著差异，使得谷粒看起来更加细长。这表明 GW4 在植物生长发育，尤其是粒宽调控方面，起着至关重要的多效性作用67。
• gw4 对细胞增殖和扩张的影响：通过扫描电子显微镜（SEM）和显微镜观察发现，gw4 颖壳的外薄壁细胞层长度和细胞数量显著减少，外颖纵向表皮细胞的平均长度和宽度也有所下降。同时，gw4 剑叶的细胞长度和宽度同样减小，小维管束数量明显减少。这些结果表明，gw4 的细长粒和窄叶表型是由于细胞增殖和扩张减少导致的89。
• 转基因互补实验验证候选基因：研究人员构建了 gw4 与籼稻品种 “台中本地 1 号”（TN1）的杂交 F?分离群体，运用图位克隆策略，将 GW4 基因定位到 4 号染色体上 31.74 kb 的区间内。经测序分析，发现 LOC_Os04g01590 基因的第 4 外显子发生单碱基替换（G 变为 A），导致编码的甘氨酸变为天冬氨酸。将含有该基因的互补载体导入 gw4 愈伤组织后，转基因植株的突变表型完全恢复到野生型水平，证实了该基因就是 GW41011。
• GW4 基因的敲除和过表达实验：为进一步明确 GW4 基因的功能，研究人员对其进行了过表达和基因编辑实验。在 ZH11 中过表达 GW4，阳性植株未表现出明显的表型差异；而利用 CRISPR/Cas9 系统获得的 GW4 纯合敲除株系 ko-1 和 ko-2，表现出与 gw4 相似的表型，如粒宽减小、叶宽变窄、植株变矮和分蘖数增加。基因表达检测结果显示，敲除株系中 GW4 基因显著下调，过表达株系中显著上调，证明基因敲除和过表达实验有效，再次表明 GW4 在调控粒宽发育中具有重要作用1213。
• GW4 的表达模式和亚细胞定位：GW4 编码一种精氨酸酶 OsARG，在植物中高度保守。系统发育分析表明，它与小麦和大麦中的同源蛋白进化关系较近。GW4 在根、茎、叶、叶鞘和穗等组织中均有表达，且在穗中表达量最高。通过构建融合表达载体，研究发现 GW4 蛋白定位于线粒体，其 N 端 1 - 50 个氨基酸（aa）区域对线粒体靶向至关重要1415。
• GW4 促进细胞周期相关基因的表达：RNA-seq 分析发现，ZH11 和 gw4 之间存在 2652 个差异表达基因（DEGs），其中 2068 个上调，584 个下调。基因本体（GO）富集分析显示，多个重要代谢途径显著富集，包括氮化合物代谢过程、细胞代谢过程的调控等。qRT-PCR 检测发现，gw4 中细胞周期基因 CYCD1.1、CYCD1.2 等以及细胞扩张基因 MACM2、MAGM3 等的表达显著下调，表明这些基因可能参与 gw4 颖壳细胞的发育，这与细胞学观察到的颖壳细胞变小结果一致1617。
• GS2 与 GW4 的调控关系：研究人员发现 GS2 是 GW4 的上游转录调节因子。ChIP-PCR 结果显示，GS2 特异性富集在 GW4 启动子的 P2 区域，该区域含有 GS2 结合基序 GCGG。荧光素酶瞬时转录活性分析表明，GS2 能激活 proGW4::LUC 的转录。EMSA 实验进一步证实，GS2 可以结合含有 GCGG 元件的 50-bp 探针片段，说明 GS2 可直接作为转录激活因子调控 GW4 的表达1819。
• GW4 在 GS2 下游调控粒宽：构建 gw4/GS2^BDL双突变体发现，gw4 显著降低粒宽，GS2 显著增加粒长和粒宽，而双突变体的粒宽与 gw4 无显著差异，粒长仅比 gw4 长 3.5%，表明 gw4 在粒宽调控上对 GS2^BDL上位。此外，在 GS2^BDL -RNAi 和 GS2^BDL -OE 转基因植株中，GW4 的表达水平分别显著下调和上调，进一步证明 GW4 作用于 GS2 下游调控粒宽2021。

综合研究结果和讨论部分，GW4 作为一个新发现的调控水稻粒宽的关键基因，编码精氨酸酶，在细胞增殖和扩张过程中发挥重要作用。GS2 作为其上游转录调节因子，直接结合到 GW4 启动子上激活其表达，共同调控水稻粒宽发育。这项研究不仅揭示了水稻粒宽调控的新机制，还为水稻分子育种提供了潜在的重要靶点，有望助力培育出更高产、优质的水稻品种，为保障全球粮食安全贡献力量。