水稻TAC5基因表观等位变异通过调控向重力性影响分蘖角度的分子机制研究

本研究针对水稻分蘖角度(Tiller angle)影响种植密度和产量的关键问题，通过GWAS和QTL定位克隆了调控向重力性(Gravitropism)的关键基因TAC5。研究人员发现TAC5启动子区CG位点的甲基化变异(TAC5mCG/TAC5CG)通过调节活性氧(ROS)积累和H2O2水平影响分蘖角度，揭示了表观遗传与TAC1协同调控水稻理想株型的新机制，为分子设计育种提供靶点。

　　

水稻作为全球主要粮食作物，其产量潜力与株型结构密切相关。分蘖角度作为决定水稻"理想株型"的关键性状，直接影响群体光能利用效率和病虫害发生率。过窄的分蘖角度会导致冠层通风不良，而过宽的角度则造成土地利用率下降，两者均会显著降低单位面积产量。尽管已知TAC1、LAZY等基因参与调控，但自然群体中分蘖角度的表观遗传调控机制仍是未解之谜，这严重制约了通过分子设计育种优化株型的进程。

针对这一科学问题，首尔大学联合釜山国立大学的研究团队通过多组学方法揭示了TAC5基因的表观遗传调控网络。研究发现TAC5编码NAC家族转录因子，其启动子区-1241bp的CG甲基化变异(TAC5^mCG/TAC5^CG)能稳定遗传并影响基因表达。该成果发表于植物科学领域期刊《Rice》，为作物表观遗传育种提供了新思路。

研究采用韩国水稻自然群体(470份种质)进行表型组分析，结合全基因组关联分析(GWAS)定位到19.1Mb的显著位点。通过构建OPEN(OP)和SPREAD(SPR)姊妹系群体进行QTL-seq精细定位，利用亚硫酸氢盐测序检测甲基化差异，并建立近等基因系验证功能。RNA-seq分析重力刺激下的转录组动态，辅以H₂O₂含量测定揭示调控机制。

结果部分
Evaluation of Phenotypic Variation
测量韩国水稻种质的向重力反应曲线（12-36小时）和分蘖角度（1.7°-25.4°），发现两者呈显著负相关（r=-0.82），暗示重力感知是分蘖角度的决定因素。

GWAS for Tiller Angles
PCA将群体分为温带粳稻(TemJ)、热带粳稻(TroJ)和籼稻(Ind)三个亚群。在8号染色体19.1Mb处检测到同时关联分蘖角度和向重力性的峰值，该区域包含已知基因TIG1和ONAC106。

Map-Based Cloning of TAC5
QTL-seq将候选区缩小至53.1kb，序列比对发现OP和SPR在MH08g0424600（Os08g0433500）启动子区-1240/-1241bp存在甲基化差异。Chop-PCR证实OP携带高甲基化等位基因TAC5^mCG，而SPR为低甲基化TAC5^CG。

Transcriptomic Changes
重力刺激8小时内，SPR-NIL(TAC5^mCG)早期（1-2小时）即激活线粒体ROS生成基因，而SPR(TAC5^CG)延迟至4-8小时响应。H₂O₂含量测定显示SPR-NIL在2小时出现峰值积累，比SPR提前2小时。

Allelic Variation of TAC5
分析292份栽培稻发现TAC5存在三种等位型：CG低甲基化（籼稻为主）、CG高甲基化（野生稻起源）和TG核苷酸变异（温带粳稻特有）。群体遗传学显示TAC5^mCG在驯化过程中受到独立选择。

Additive Action with TAC1
构建TAC1^G（窄角）和TAC5^mCG双近等基因系，证实两者具有累加效应，分蘖角度比单基因型减少40%。

结论与意义
该研究首次阐明表观等位变异通过ROS-重力信号通路调控水稻株型的分子机制：TAC5^mCG通过早期诱导H₂O₂积累加速重力响应，使分蘖基部不对称生长形成窄角。野生稻起源的TAC5^mCG在粳稻和籼稻中经历独立选择，与TAC1协同塑造现代品种的理想株型。这一发现不仅拓展了植物表观遗传调控的认知边界，更为分子设计育种提供了可稳定遗传的表观标记，突破传统育种的局限性。