OsAFB2启动子的自然变异可增强水稻在淹水条件下的幼苗出土

《Journal of Genetics and Genomics》：Natural variation in the OsAFB2 promoter enhances rice seedling emergence under submergence

　　

摘要

幼苗破土萌发是水直播稻的一项关键适应性性状，但其遗传基础仍知之甚少，且优良等位基因数量有限。本研究对307份水稻材料进行了全基因组关联分析，鉴定到控制淹水条件下幼苗破土萌发力地上部伸长的位点qSLS4。OsAFB2编码一种生长素受体，是qSLS4的因果基因。其基因敲除通过增加细胞长度和细胞数目促进地上部伸长，从而改善幼苗破土萌发（而非促进幼穗鞘伸长），同时还降低株高且对单株产量影响甚微。表达分析和药物实验结果表明，OsAFB2通过生长素相关调控影响最终萌发表型。在候选基因关联分析中，发现OsAFB2启动子区-941 bp处存在一个单核苷酸替换（C到A），该变异改变了其表达水平并导致幼苗破土萌发性状的变异。OsDREB6优先激活OsAFB2^HapC启动子，而该单核苷酸替换削弱了这种激活作用，导致OsAFB2^HapA中基因表达水平降低、幼苗破土萌发增强。综上，本研究确立OsAFB2为水稻幼苗破土萌发的负调控因子，并发现了一种具有提高水直播稻潜力的启动子变异。

引言

水稻直播栽培因其经济效益和操作便利性而成为一种重要的栽培方式（Farooq等，2011；Mahender等，2015）。淹水可抑制杂草萌发，从而减少人工除草或除草剂的使用（Ismail等，2012）。然而，种子萌发过程中过量积水会导致缺氧，严重阻碍幼苗建植和作物稳产。快速且均匀的幼苗破土萌发是直播稻的核心适应性状，促使部分水稻品种采用低氧逃逸策略（LOES），通过促进地上部快速伸长来应对（Kuroha等，2018；Ma等，2020）。值得注意的是，长期驯化和现代育种可能已在许多现代品种中淘汰了大量与淹水萌发相关的优良等位基因（Miro and Ismail, 2013）。因此，培育淹水耐性水稻品种是提高直播稻幼苗破土萌发能力和稳定产量的重要策略。

目前已报道的大多数基因影响早期幼穗鞘伸长，而淹水条件下的最终幼苗破土萌发是一个更为复杂的适应性状（Yang等，2019；Zhao等，2021；Liang等，2022）。例如，海藻糖-6-磷酸磷酸酶（OsTPP7）（Kretzschmar等，2015）和早期胚胎发育特异性烯醇化酶1（OsEE1）（Li等，2025）通过糖酵解代谢促进幼穗鞘伸长以克服淹水胁迫，而MYB家族转录因子OsMYB48（Liu等，2025）、UDP糖基转移酶OsUGT75A（He等，2023）和14-3-3蛋白编码基因OsGF14h（Sun等，2022）等基因则与幼穗鞘长度相关，并调节无氧萌发过程中的植物激素稳态。近期研究发现，染色体5号上控制淹水条件下苗高的数量性状位点（qSHS5）可调节淹水萌发力地上部伸长（Lu等，2025），但其遗传控制是否与早期幼穗鞘生长完全重叠尚不清楚。尽管早期幼穗鞘/中轴鞘伸长与最终幼苗破土萌发呈正相关（Xiong等，2017；Sun等，2022；Lyu等，2024），但两者的遗传基础是否完全重叠仍属未知。这一未解问题限制了直播稻的改良。因此，我们以地上部长度为指标来鉴定优良等位基因，并确定早期幼穗鞘伸长能否预测淹水条件下的最终幼苗破土萌发。

生长素调控淹水条件下的幼穗鞘伸长（Chen等，2026），但其在淹水萌发中的作用并非单纯的促进作用。淹水诱导的水杨酸（SA）信号通路通过吲哚-3-乙酸酰胺合酶基因（OsGH3）促进吲哚-3-乙酸（IAA）的失活，从而解除过量生长素对无氧萌发的抑制效应（Wang等，2024）。另一方面，生长素合成基因在长幼穗鞘品种中表达量更高，尤其是在幼穗鞘尖端（Nghi等，2021）。这些发现表明，成功实现淹水萌发需要对生长素稳态和信号传导进行精细调控。生长素转运受抑制会导致淹水条件下幼穗鞘变短并卷曲（Wu and Yang, 2020）。在水稻中，生长素信号通路由生长素合成阻遏蛋白反应1（TIR1）/生长素信号F-box蛋白（AFB）–生长素（Aux）/吲哚-3-乙酸（IAA）–生长素反应因子（ARFs）模块介导，且miR393-OsTIR1/OsAFB2模块已被证明参与生长素介导的淹水幼穗鞘生长（Guo等，2016）。尽管通过激素互作调控幼穗鞘伸长的生长素作用机制已有研究，但生长素受体基因的天然变异是否影响淹水条件下的幼苗破土萌发尚属未知。

本研究利用307份水稻材料进行了全基因组关联分析（GWAS），鉴定到与淹水萌发相关的位点qSLS4，并确定OsAFB2——一种生长素受体基因——为qSLS4的因果基因，证明其负调控淹水条件下的幼苗破土萌发。我们进一步鉴定到一种与OsAFB2表达降低和幼苗破土萌发增强相关的优良启动子单倍型，并发现脱水响应元件结合蛋白基因OsDREB6对两种启动子单倍型的激活作用存在差异。生长素通常在幼穗鞘伸长的下游发挥作用。本研究揭示了生长素信号传导上游组分在调控幼苗破土萌发中的天然等位变异，这是一个此前未知的功能。本研究为直播栽培育种提供了有价值的等位基因，并为开发淹水耐性水稻品种提供了种质资源。

章节摘要

qSLS4是控制淹水条件下地上部长度的主效位点

为评估淹水条件下幼苗破土萌发的遗传基础，我们利用由307份水稻材料组成的多样性面板，表型鉴定了淹水条件下的地上部长度。整个群体、籼稻（XI）和粳稻（GJ）亚群体中，淹水条件下的地上部长度均呈正态分布（图1A、图S1A、图S1B；表S1）。全群体地上部长度的平均值为7.12 cm，范围为1.08 cm至14.96 cm（图S1C）。其中

讨论

淹水条件下幼苗破土萌发不良是直播稻栽培的主要限制因素，鉴定促进快速均匀萌发的优良等位基因对于遗传解析和育种均至关重要。本研究鉴定到OsAFB2——编码一种生长素受体的基因——为qSLS4的因果基因，并证明其启动子的天然变异对淹水条件下的幼苗破土萌发具有贡献。本研究将一种生长素受体基因与淹水条件下

试验材料与淹水处理

本研究使用307份水稻材料面板评估淹水条件下的幼苗破土萌发，其中包括籼稻（XI）亚群体176份、粳稻（GJ）91份、亚种circum-Aus（cA）25份、亚种circum-Basmati（cB）4份、混群（Admix）10份以及1份非洲稻（Og）（表S1）。将饱满成熟种子在42°C下浸种催芽2天以打破休眠，随后用0.05%的过氧化氢溶液浸泡24小时，经自来水充分冲洗后，再在清水中浸种24小时。

未引用文献

Liu等，2025。

数据可用性

本研究产生的所有数据均包含在正文和补充文件中。无氧转录组数据可在NCBI数据库获取（GSE115371）。

作者贡献声明

姜辉：概念设计、方法论、数据整理、调查研究、形式分析、验证、可视化、撰写——原稿撰写、撰写——审校与编辑；张雄林和杨学彬：验证；易新军、吴美琪、狄可翰、陈洪浦、邓康康、王浩、陈蔚蓝、李婷、涂斌、袁华、钟昭辉、李世贵、马秉天、康梁柱、唐世文：调查研究；王玉平：经费获取、监督指导；熊家威：概念设计、经费获取

生成式人工智能声明

本手稿最终版本借助ChatGPT进行了语法和拼写润色。所有AI生成内容均经作者严格审查和核实，作者对已发表作品承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

感谢浙江大学边红武教授提供基因敲除系，感谢四川农业大学周浩教授提供本研究使用的染色体片段代换系。

本研究得到国家自然科学基金委（32401753和32272080）、博士后创新人才支持计划和中国博士后科学基金（BX20240243和2024M762267）以及四川省科技计划项目（2026NSFSC0108）的资助。

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