《Plant Communications》：Prime editing to improve the expression of DAHPS2 in the shikimate pathway by the type-B cytokinin response regulator RR26 enhances submergence tolerance in rice
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为解决湿直播水稻出苗不均问题，研究人员通过基因编辑技术靶向调控水稻莽草酸途径起始酶DAHPS2的表达，发现其受细胞分裂素响应调节因子RR26直接转录激活。过表达DS1可提高IAA水平并抑制JA积累，显著促进萌后生长并增强耐淹性。该研究为直播稻育种提供了新靶点和无转基因种质资源。
随着劳动力成本上升，水稻轻简化直播栽培技术日益普及。然而，湿直播面临淹水条件下出苗不齐的瓶颈——种子萌发后若不能快速突破水面，易导致烂种缺苗。水稻应对淹水有“休眠耐受”和“逃避生长”两种策略：前者依赖SUBA1基因调控激素网络抑制生长以保存能量；后者依赖胚芽鞘快速伸长使幼苗尽快接触空气。胚芽鞘的伸长受多种激素互作调控，如OsUGT75A通过糖基化茉莉酸（Jasmonic Acid, JA）和脱落酸（Abscisic Acid, ABA）促进伸长，乙烯响应因子OsEIL1/2通过清除活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）加速生长。然而，生长素（Auxin）与其它激素如何协同调控这一过程尚不清晰。生长素生物合成源于莽草酸途径的终产物色氨酸（Tryptophan, Trp），而莽草酸途径的起始酶3-脱氧-D-阿拉伯庚酮糖酸-7-磷酸合酶（3-deoxy-D-arabino-heptulosonate 7-phosphate synthase, DAHPS）是芳香族氨基酸合成的关键限速酶。本研究通过鉴定一个矮秆不育突变体ds1，揭示了DAHPS2通过调控IAA-JA稳态平衡影响水稻萌后生长的新机制，并利用Prime Editing技术创制了耐淹性增强的直播稻新种质。
关键技术方法
研究团队通过图位克隆定位DS1基因；利用CRISPR/Cas9构建敲除和过表达株系验证基因功能；采用RNA-seq分析激素通路变化；通过酵母单杂交（Yeast One-Hybrid, Y1H）、电泳迁移率实验（Electrophoretic Mobility Shift Assay, EMSA）和双荧光素酶报告基因（Luciferase, LUC）实验验证RR26对DS1的转录调控；使用Prime Editing系统精准编辑DS1启动子；通过高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）测定IAA和JA含量；在浙江富阳和海南陵水开展田间试验验证耐淹性。
研究结果
1. DS1突变导致萌后生长抑制及多效性表型
从籼稻品种华占（Huazhan, HZ）的EMS突变体库中筛选到一个萌后生长严重抑制的突变体ds1。该突变体萌发5天后胚芽鞘、第一不完全叶和胚根长度均显著短于野生型（Wild Type, WT）（图1A,H,I），但萌发率无差异。成熟期表现为极端矮化、叶片窄卷、叶角增大、穗畸形且完全不育（图1D-G）。组织学分析发现ds1叶片大脉和小脉数量减少，叶枕部位厚壁细胞增多（附图3A-E）。
2. DS1编码莽草酸途径起始酶DAHPS2
图位克隆将DS1定位到染色体7末端58 kb区间，测序发现LOC_Os07g42960第五外显子存在单碱基置换（G1407C），导致第469位甲硫氨酸变为异亮氨酸（M469I）（图2A-E）。该基因编码DAHPS2，酶活检测显示突变体酶活性显著降低（图2G）。遗传互补实验和CRISPR/Cas9敲除实验均证实DS1功能缺失是表型成因（图2H-J）。
3. DS1通过调控IAA-JA稳态影响萌后生长
ds1突变体中Trp和IAA含量显著降低，DR5::GUS报告基因显示生长素积累减少（图3A-B）。外施生长素类似物NAA可部分挽救表型，而极性运输抑制剂NPA加剧表型，表明IAA生物合成受损（图3C-E）。RNA-seq显示ds1中生长素通路基因下调、JA合成基因上调（图3F-G）。JA含量检测和激素处理实验证实JA过度积累抑制生长，JA合成抑制剂DIECA可缓解表型（图3H-K）。
4. DS1过表达显著增强耐淹性
在华占和中嘉3号（Zhongjia3, ZJ3）中过表达DS1可提高IAA水平、降低JA积累，促进萌后生长（图4A-F）。在5 cm淹水条件下，过表达株系胚芽鞘伸长更快，耐淹性增强（图4G-J）。低温（15°C）与淹水双重胁迫下仍保持生长优势（附图10A-D）。田间试验表明过表达株系出苗整齐度高，适用于直播（图4I-J；附图11A-J）。
5. RR26直接转录激活DS1表达
生物信息学预测和实验验证发现B型细胞分裂素响应调节因子RR26结合DS1启动子DS1-7元件（-242至-232 bp），直接激活其转录（图5A-F）。rr26突变体表型与ds1相似，且对NAA和DIECA敏感（图5J-O）。RR26过表达株系中DS1转录水平升高，耐淹性增强（图5G-I）。
6. 精准编辑DS1启动子创制耐淹新种质
利用Prime Editing技术在DS1启动子中插入三个串联DS1-7元件，获得无外源基因的编辑株系。这些株系DS1表达量提高，淹水条件下胚芽鞘伸长显著优于野生型，且后期农艺性状无异常（图6A-F；附图16A-G）。
结论与讨论
本研究首次揭示RR26-DS1模块通过莽草酸途径调控IAA-JA稳态，从而决定水稻萌后生长速率和耐淹性。DS1作为莽草酸途径“门户”，其功能缺失导致IAA合成受阻和JA过度积累，引发生长抑制；而过表达DS1或精准编辑其启动子可优化激素平衡，促进胚芽鞘快速伸长，实现淹水逃避。该机制独立于已知的SUB1A介导的休眠策略，为理解激素互作提供了新视角。研究创建的Prime Editing编辑株系不含外源基因，可直接用于直播稻育种，对应对劳动力短缺和保障粮食安全具有重要意义。
（注：全文内容均基于文档原文，未添加非原文信息；专业术语已按规范标注英文缩写及上下标。）
