《Plants》：FAD-Linked Oxidoreductase Protein 1 (FLO1) Coordinates Grain Development and Drought Tolerance in Rice
Uzair Ullah,
Lubna Khan,
Jia-Jun Ma,
Zi Wang,
Hong-Jin Wang,
Munib Ahmad,
Nadeem Bhanbhro,
Yu-Xiang Huo,
Abdullah Shalmani and
Kun-Ming Chen
编辑推荐：
为解决水稻产量与干旱耐受性难以协同提升的难题，研究人员围绕新型基因OsFLO1展开功能研究，发现其过表达可同步增大籽粒、提高产量并增强抗旱性，而敲除则导致相反表型。该研究揭示了OsWRKY53通过直接结合OsFLO1启动子激活其表达的调控机制，为培育高产抗旱水稻品种提供了关键靶点。
水稻是全球超过一半人口的主粮，其产量和品质直接关系到粮食安全。然而，水稻生长常常受到干旱等环境胁迫的严重威胁，尤其在生殖和灌浆期，干旱会导致同化物运输中断、激素分布紊乱以及胚乳改变，从而造成粒重下降、灌浆受阻和产量大幅损失。提高作物产量的传统育种目标与增强其抗逆性（如抗旱）往往难以兼得，因为控制这两个性状的遗传网络复杂且通常相互独立。尽管已有许多基因被报道分别调控籽粒大小或干旱响应，但能同时协调这两个关键农艺性状的基因却鲜有报道。这限制了通过单一基因靶点同步改良产量和抗逆性的育种效率。因此，发掘并解析能够同时调控籽粒发育和干旱耐受性的关键基因及其分子机制，对于应对气候变化下的粮食安全挑战具有重大意义。近期，一项发表在《Plants》上的研究为我们带来了新的突破。
本研究主要采用了以下关键技术方法：1) 基于535份不同来源水稻种质的全基因组关联分析（GWAS） 来定位关键位点；2) 利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和过表达载体构建，分别创建OsFLO1基因敲除（CR）和过表达（OX）的转基因水稻株系；3) 通过酵母单杂交（Y1H）、电泳迁移率变动分析（EMSA） 和染色质免疫沉淀-定量聚合酶链反应（ChIP-qPCR） 验证转录因子OsWRKY53与OsFLO1启动子的直接结合；4) 通过双荧光素酶报告基因检测 验证OsWRKY53对OsFLO1的转录激活作用；5) 对株系的农艺性状（如分蘖数、粒长、粒宽、千粒重、穗部性状）和抗旱生理指标（如根系生长、抗氧化酶活性、丙二醛和脯氨酸含量）进行系统表型分析。
2.1. 鉴定与籽粒和干旱耐受性状相关的显著位点
研究人员通过对535份水稻种质进行GWAS分析，在染色体1上发现了一个与籽粒性状相关的显著位点。该区域被选为后续单体型精细定位和功能分析的候选区域。根据序列多态性（如SNP和Indel）共鉴定出六个主要单体型（H1-H6）。其中，H1和H2是主要单体型，分析表明OsFLO1可能促进了籼稻（Indica）和粳稻（Japonica）的分化，例如H1主要存在于籼稻品种中，而H2则对粳稻有强烈偏好。
2.2. OsFLO1单体型的全球分布
进一步分析两个主要单体型H1和H2的地理分布发现，H1在东亚、拉丁美洲和非洲部分地区分布更广，而H2则主要集中在南亚、大洋洲以及美洲。在中国，H1单体型在降雨量较高的南方和东南省份更丰富，而H2则更多地分布在相对干燥的北方和东北地区。这种分布模式表明，当地的降水模式可能影响了单体型分布，H1偏爱高降雨量地区，而H2在较干旱地区占主导，这反映了水稻品种对特定农业生态条件的历史适应和选择。
2.3. OsFLO1正向调控籽粒相关性状和产量构成因素
为研究OsFLO1对籽粒发育的影响，研究人员分别在HX353（籼稻）背景下过表达OsFLO1，以及在Nipponbare（Nip，粳稻）背景下利用CRISPR/Cas9敲除该基因。表型分析发现，敲除株系（CR）的分蘖数高于野生型（WT），而过表达株系（OX）无显著变化。在籽粒性状方面，过表达OsFLO1增加了粒长和粒宽，而敲除则减少了这些性状。此外，过表达株系的千粒重、穗长、每穗分枝数和每穗粒数均得到提升，而敲除株系则降低。这些结果表明，OsFLO1是决定水稻籽粒形态和穗部结构的关键正向调节因子。
2.4. OsFLO1调节水稻的干旱耐受性
在干旱胁迫下，OsFLO1过表达株系（OX）表现出更高的存活率，而敲除株系（CR）的存活率较低。在15%聚乙二醇（PEG）诱导的渗透胁迫下，OX株系的根系生长（包括主根和侧根长度）显著促进，而CR株系的根系则更短、分枝更少。生理生化指标分析显示，在干旱胁迫下，过表达株系的过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性增强，脯氨酸含量升高，而丙二醛（MDA）含量降低；敲除株系则呈现相反趋势。这表明OsFLO1通过调节抗氧化和渗透压响应来增强水稻的干旱耐受性。
2.5. OsWRKY53在体外和体内特异性结合OsFLO1启动子
为探究OsFLO1表达的调控机制，研究人员验证了转录因子OsWRKY53与OsFLO1启动子的结合。EMSA实验显示，OsWRKY53-MBP能结合含有W-box顺式元件的OsFLO1启动子探针。Y1H和ChIP-qPCR实验进一步证实了OsWRKY53在酵母和体内能特异性结合OsFLO1启动子。双荧光素酶报告基因检测表明，OsWRKY53与OsFLO1启动子共表达时，能使荧光素酶（LUC）活性提高三到四倍，证明OsWRKY53是OsFLO1的转录激活因子。
结论与讨论
本研究系统阐明了OsFLO1作为一个新型FAD连接氧化还原酶，在水稻中协调籽粒发育和干旱耐受性的双重功能。OsFLO1的过表达能同时提高产量相关性状（如粒长、粒宽、千粒重、穗部性状）和抗旱性（如根系生长、抗氧化能力、渗透调节物质积累），而其敲除则导致这些性状恶化。这为解决产量与抗逆性难以协同提升的育种难题提供了直接的基因靶点。
更为重要的是，研究揭示了上游转录因子OsWRKY53通过直接结合OsFLO1启动子上的W-box元件，正向调控其表达的分子机制。OsWRKY53本身已被报道参与多种胁迫响应和发育过程，本研究将其与OsFLO1联系起来，构成了一个连接转录调控、籽粒发育和干旱响应的关键调控模块（OsWRKY53-OsFLO1）。这不仅深化了我们对FAD连接氧化还原酶蛋白家族功能多样性的理解，也为通过操纵OsWRKY53-OsFLO1模块来同步改良水稻产量和抗逆性提供了清晰的分子路径和潜在的育种策略。
综上所述，该研究鉴定了一个能同时调控水稻产量和抗旱性的关键基因OsFLO1，并解析了其受OsWRKY53转录激活的上游调控机制。这些发现为培育适应水资源受限环境的高产、稳产水稻新品种奠定了重要的理论与应用基础。
