GNH1启动子自然变异增强水稻株高与籽粒产量

《Journal of Integrative Plant Biology》：Natural variation in the GNH1 promoter enhances plant height and grain yield in rice

　　

株高与每穗粒数是影响植株形态建成和产量的关键因素。尽管已有若干调控水稻株高和粒数的基因被鉴定，但其调控机制仍需深入解析以培育高产水稻品种。研究人员发现GRAIN NUMBER AND PLANT HEIGHT 1（GNH1）基因（与水稻TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATED 2（OsTAR2）为同一基因）在协同调控水稻株高和粒数方面发挥重要作用。位于GNH1起始密码子上游382 bp处的一处自然变异削弱了C2H2型转录因子ZFP36的DNA结合亲和力，导致籼稻品种T5中GNH1转录水平升高及生长素（IAA）积累，最终表现为株高增加与每穗粒数增多。单倍型分析显示GNH1在籼稻与粳稻亚种间发生分化。在两个优良水稻品种中华11和吉粳88中上调GNH1表达可显著提升产量。上述发现深化了对株高与产量调控分子机制的理解，并为水稻遗传改良提供了有利基因资源。

研究背景与立项依据

水稻（Oryza sativa L.）是全球半数以上人口的主粮，株高与每穗粒数是决定植株形态与籽粒产量的核心农艺性状。已有PROG1、SD1、Gn1a/OsCKX2、DEP1、NOG1、FZP、OsMADS17等基因被报道参与调控，但生长素（IAA）生物合成通路成员对株高与粒数协同调控的认识仍不充分。TAA（TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS）家族催化IAA局部合成，水稻中仅含OsTAR1与OsTAR2两个成员；既往OsTAR2功能研究多依赖人工突变体，无法反映自然等位变异在田间条件下的农艺效应。为此，研究人员从东乡普通野生稻（O. rufipogon）渐渗系入手，定位并解析了GNH1（即OsTAR2）启动子自然变异通过ZFP36介导的转录抑制松驰来协同提升株高与产量的机制，论文发表于《Journal of Integrative Plant Biology》。

主要关键技术方法

研究人员以籼稻T5为受体、东乡普通野生稻为供体构建渐渗系TDIL17，利用137株F₂初定位、8000株F₂精细定位至13 kb区间；通过近等基因系NIL-GNH1、互补（pCOM）、RNAi、CRISPR/Cas9敲除（gnh1-1/gnh1-2）验证功能；启动子活性用双荧光素酶报告系统，转录因子结合用酵母单杂交、EMSA、双Luc repression实验；自然变异分布用125份栽培稻（63籼、54粳、8 aus）与99份野生稻测序分单倍型；表达量与IAA含量分别用RT-qPCR与HPLC-MS/MS；应用端在中华11（ZH11）与吉粳88（JG88）中过表达GNH1。样本队列明确来源于上述渐渗系、自然种质及两个转基因组。

研究结果

Fine mapping of GNH1：TDIL17较T5株高降8.6%、主穗粒数降19.8%；定位到第1染色体短臂13 kb区间，候选基因为LOC_Os01g07500（OsTAR2）与LOC_Os01g07510，前者在多组织表达且TDIL17中显著下调，后者近乎不表达，故锁定LOC_Os01g07500为GNH1。

Functional verification of GNH1：NIL-GNH1表型变矮、枝梗与粒数减少；pCOM回补恢复表型，RNAi与gnh1敲除株高、次生枝、主穗粒数、千粒重、单株产量均显著下降，gnh1-2因移码致严重矮化不育；GNH1定位于内质网，NIL与gnh1-1中IAA含量显著降低，证实其经局部生长素合成调控株高与粒数。

Natural variation in the promoter of GNH1 modulates its transcriptional activity：T5与TDIL17启动子区约2.5 kb上游有40个变异，双Luc显示T5启动子活性更高；定点组合证明起始密码子上游382 bp处T5为5′-CACCG-3′、TDIL17为5′-TACACTAGTACCT-3′是决定活性差异的功能位点，T5等位增强转录。

ZFP36 directly binds to the promoter of GNH1 and inhibits its expression：PlantPAN预测该位点为C₂H₂锌指蛋白ZFP36（亦称Bsr-d1）结合基序5′-TACACTA-3′；Y1H与EMSA显示ZFP36对TDIL17等位亲合力更强，双Luc表明ZFP36抑制GNH1启动子且对TDIL17抑制更强；ZH11中过表达ZFP36导致GNH1下调及株高、次生枝、主穗粒数、单株产量下降，确认ZFP36为负调控因子。

GNH1 is differentiated between indica and japonica subspecies：自然变异（FNP）在野生稻多态性高，栽培稻保留4型；GNH1^FNP-T5在籼稻占57.1%、粳稻40.7%、野生稻14.1%；周边1 Mb无选择清除信号，Tajima's D无强选择，但籼-粳F_ST显著，提示亚种间分化；携GNH1^FNP-T5品种GNH1表达与主穗粒数均高于携GNH1^FNP-TDIL17者，判定其为有利单倍型。

GNH1 enhances the grain yield of rice：在携GNH1^FNP-TDIL17的ZH11与JG88中过表达GNH1，转录量上升，次生枝增15.7%–23.3%、主穗粒数增9.2%–19.8%、单株产量增14.3%–26.7%，株高与千粒重略增，穗数、结实率、抽穗期无负面变化。

讨论与结论翻译

讨论指出，既往TAA家族研究多基于人工突变，本研究利用野生稻渐渗系发掘自然启动子等位变异，证明局部IAA合成经GNH1协同调控株高与穗部建成；GNH1^FNP-T5仅在部分籼粳品种中存在，过表达可增产14.3%–26.7%且无农艺劣化，常规回交导入或启动子编辑均可挖掘育种潜力；同源蛋白在玉米（相似度约80%）、小麦、大麦等禾本科保守，具跨作物移植前景；ZFP36已知参与稻瘟与ABA/干旱胁迫，本研究发现其直接抑制GNH1将生长-防御偶联，环境信号可能经ZFP36–GNH1模块重分配生长与抗逆资源，需后续胁迫实验验证。

结论：GNH1（OsTAR2）启动子上游382 bp自然变异削弱ZFP36结合，抬高GNH1表达与局部IAA水平，协同增加水稻株高与每穗粒数；GNH1^FNP-T5为有利单倍型且在优良品种中过表达可显著增产，该模块为生长素介导的株型产量调控提供新机制，并给出水稻高产改良的可转化基因资源。