水稻RhoGAP基因家族全基因组鉴定及OsRhoGAP2通过转录组分析调控种子萌发的关键功能

本研究针对水稻RhoGTP酶激活蛋白（RhoGAPs）功能未知的科学问题，通过全基因组鉴定发现19个OsRhoGAP基因，利用CRISPR/Cas9构建OsRhoGAP2敲除突变体，揭示其通过降低α-淀粉酶（α-amylase）活性和激活苯丙烷代谢（phenylpropanoid biosynthesis）通路延缓种子萌发，为作物萌发调控提供新靶点。论文发表于《Rice》。

　　

研究背景与科学问题

种子萌发是作物生命周期的起点，直接影响田间出苗率和产量。尽管已知赤霉素（GA）和α-淀粉酶在萌发中起核心作用，但调控网络的分子细节仍不明确。水稻作为全球主粮，其萌发机制研究对粮食安全至关重要。RhoGTP酶激活蛋白（RhoGAPs）在动植物中广泛参与细胞信号传导，但水稻RhoGAP家族的功能几乎空白。尤其令人困惑的是，为何某些水稻品种表现出萌发延迟特性？这背后是否存在RhoGAP介导的未知调控路径？

关键技术方法

研究采用生物信息学鉴定水稻RhoGAP家族成员，通过CRISPR/Cas9构建OsRhoGAP2敲除突变体（rhogap2-1/2/3）。利用中国河南主栽品种"新丰2号"为材料，结合α-淀粉酶活性检测、RNA-seq转录组分析和qPCR验证，解析基因功能。

研究结果

1. RhoGAP基因家族的系统鉴定

全基因组分析揭示水稻含19个RhoGAP基因，分为3个进化分支。表达谱显示OsRhoGAP2在发育种子中持续上调，暗示其参与种子发育或萌发调控。

2. OsRhoGAP2的功能缺失导致萌发延迟

基因编辑突变体rhogap2的萌发率较野生型（WT）降低50%以上。关键萌发基因OsGA2ox3、OsCPS1表达显著下调，伴随α-淀粉酶活性降低（图5）。淀粉水解实验显示突变体白色水解圈面积减少67%（

），证实能量供应受阻。

3. 苯丙烷代谢通路的异常激活

RNA-seq发现rhogap2中291个基因上调，包括6个过氧化物酶基因（如LOC_Os07g31610）。KEGG分析显示苯丙烷代谢是最显著富集通路（图6E），暗示次级代谢重编程可能通过竞争碳源抑制萌发。

结论与意义

该研究首次建立水稻RhoGAP家族的功能框架，揭示OsRhoGAP2通过"α-淀粉酶-苯丙烷代谢"双途径调控萌发的新机制（图7）。一方面，OsRhoGAP2缺失导致GA信号通路关键基因下调，直接削弱α-淀粉酶的淀粉水解能力；另一方面，苯丙烷代谢产物的积累可能通过消耗磷酸烯醇式丙酮酸等前体物质，间接限制萌发能量供给。这一发现不仅拓展了植物RhoGAPs的功能认知，更为作物品种改良提供了潜在靶点——通过调控OsRhoGAP2表达，可能同步实现大粒型和抗穗发芽（pre-harvest sprouting）的育种目标。