整合转录组学与蛋白质组学解析水稻籽粒发育调控新基因及其分子机制

推荐：本研究针对水稻籽粒大小调控机制不清的科学问题，通过整合转录组学和蛋白质组学技术，分析大粒品系AD3与小粒品系AD148在颖壳发育早期（Sp3/Sp6阶段）和灌浆期（9DPA）的差异表达基因（DEGs）和蛋白（DEPs），鉴定出8个调控籽粒发育的关键基因，揭示MAPK信号通路和次级代谢物合成通路的核心作用，为水稻高产育种提供新靶点。

　　

水稻作为全球半数人口的主粮，其籽粒大小直接影响产量和品质。尽管已发现GS3、GW2等调控基因，但自然变异材料的分子机制仍存在大量空白。尤其颖壳发育早期（Sp3/Sp6阶段）与灌浆期（9DPA）的协同调控网络尚未系统解析。针对这一科学问题，江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室的研究团队通过整合多组学技术，揭示了大粒品系AD3与小粒品系AD148的差异调控机制，相关成果发表在《Food Chemistry: Molecular Sciences》。

研究采用重组自交系（RIL）群体材料，选取Sp3（颖壳原基形成期）、Sp6（雄蕊原基形成期）和9DPA三个关键发育阶段样本。通过扫描电镜观察颖壳表皮细胞形态，结合RNA-Seq和DIA（数据非依赖采集）蛋白质组学技术，系统分析了差异表达基因和蛋白。利用qRT-PCR验证候选基因，并通过KEGG富集分析解析核心通路。

研究结果部分：

1. 籽粒表型与灌浆速率分析

   大粒AD3在开花5天后灌浆速率显著高于AD148，扫描电镜显示其颖壳单位面积细胞数量增加40%（P<0.01），表明细胞增殖是粒型差异的主因。

2. 转录组动态特征

   Sp6阶段差异基因最多（2621个），显著富集于苯丙烷代谢（ko00940）和MAPK通路（ko04016）。9DPA阶段则特异性激活半胱氨酸代谢（ko00270）和内质网蛋白加工通路。

3. 蛋白质组与转录组关联

   四象限分析显示仅12%差异基因在蛋白水平同步变化，如微管蛋白基因OsZS_01G0168000在Sp3期表达量相差2倍，提示存在翻译后调控。

4. 候选基因鉴定

   发现8个关键基因：OsZS_07G0107700（预测RAG2样蛋白）在灌浆期表达量超9000 FPKM；OsZS_06G0043500（OsMKK1激酶）通过MAPK级联调控细胞扩张；微管蛋白基因OsZS_01G0168000可能影响颖壳细胞形态建成。

讨论指出，该研究首次系统比较了颖壳发育早期与灌浆期的分子事件差异，揭示MAPK通路和次级代谢物的阶段特异性调控作用。发现的OsZS_07G0107700与已报道的RAG1功能相似，可能通过调节胚乳蛋白积累影响粒重。研究为分子设计育种提供了新靶点，特别是OsMKK1激酶的粒型调控功能拓展了MAPK通路在发育生物学中的认知。未来可通过基因编辑验证这些候选基因的生物学功能，进一步解析其上下游调控网络。