植物激素信号通路调控水稻粒型的分子机制.pdf

综述与专论2023,39(8):80-90生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN收稿日期：2023-03-23基金项目：国家自然科学基金项目（U1704101），河南省重点研发与推广专项（212102110153），河南省科技研发计划联合基金（222301420106），河南省自然科学基金青年基金（5201049130833）作者简介：姚莎莎，女，硕士研究生，研究方向：分子细胞生物学；E-mail: 通讯作者：梁卫红，女，博士，教授，研究方向：分子细胞生物学；E-mail:植物激素信号通路调控水稻粒型的分子机制姚莎莎 王晶晶 王俊杰 梁卫红（河南师范大学生命科学学院，新乡 453007）摘 要：水稻是人类主要的粮食作物，如何有效提高其产量和品质是备受关注的重大科学问题。水稻籽粒大小是影响产量的主要因素之一，水稻籽粒发育调控的研究对利用分子设计育种提高产量、改善品质具有重要的指导意义。粒型由籽粒的长度、宽度和厚度共同决定，是受多基因调控的数量性状，是决定水稻产量和品质的关键因素之一。近年来，通过对水稻种子发育缺陷突变体的研究，发现了大量与粒型相关的数量性状位点（quantitative trait locus,QTL），一些相关基因也相继被克隆和鉴定，调控水稻粒型的复杂信号通路正在逐步阐明，其中一些基因涉及植物激素的合成、分解、运输，以及植物激素的信号转导途径。本文概述了水稻胚乳发育的基本过程，归纳了目前对胚乳发育过程中植物激素动态变化的整体认识，聚焦于控制水稻粒型的植物激素信号通路相关 QTL 和基因的研究现状，并对近年来取得较大进展的细胞分裂素、油菜素内酯、生长素、赤霉素、乙烯、茉莉酸和脱落酸相关通路与粒型调控的关系进行了总结和分析，进一步梳理了水稻粒型相关植物激素信号调控网络，旨在为鉴定和解析植物激素调控水稻粒型的分子机制提供参考，同时为水稻分子设计育种提供新的思路。关键词：水稻；粒型；基因；植物激素信号DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2023-0273Molecular Mechanisms of Rice Grain Size Regulation Related to Plant Hormone Signaling PathwaysYAO Sha-sha WANG Jing-jing WANG Jun-jie LIANG Wei-hong（College of Life Sciences,Henan Normal University,Xinxiang 453007）Abstract:Rice is a major food crop for humans,and how to effectively improve its yield and quality is a major scientific concern.Rice grain size is one of the main factors affecting yield,and research on the regulation of rice grain development is an important guide for using molecular design breeding to improve yield and quality.Grain size is determined by a combination of the length,width and thickness of the grain;it is a quantitative trait regulated by multiple genes,and is one of the crucial determinants of rice yield and quality.In recent years,a large number of quantitative trait loci（QTLs）related to grain size have been identified through the study of mutants with seed development defects in rice,and some related genes have been cloned and identified,and the complex signalling pathways regulating grain size in rice are gradually being elucidated.Several studies have found that functional genes regulating rice seed development are involved in the synthesis,catabolism and transport of plant hormones as well as the signal transduction pathways of plant hormones.This review outlines the basic process of rice endosperm development,summarizes the overall the overall understanding of the dynamic changes of plant hormones during endosperm development,focuses on the current research status of QTLs related to phytohormone signalling pathways associated with rice grain size,summarizes and analyses the relationship between the pathways related to cytokinin,brassinosteroid,growth hormone,gibberellin,ethylene and jasmonic acid and grain size regulation,and further sorts out the regulation network of rice grain shape-related phytohormone signaling.It is aimed to provide a reference for identifying and analyzing the molecular mechanisms of phytohormone regulation of rice grain size,and to provide new ideas for rice molecular design breeding.Key words:rice;grain size;gene;plant hormone signal2023,39(8)81姚莎莎等：植物激素信号通路调控水稻粒型的分子机制水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，全球超过一半的人口以其为主食1。随着人口的不断增加、环境的恶化以及耕地面积的减少，粮食安全问题愈加严重。水稻产量与品质协同遗传改良的研究仍是育种工作的当务之急。水稻产量的 3 个要素分别是单株有效穗数、每穗粒数以及千粒重2-3，其中，千粒重是决定水稻产量最直观的性状。粒型是影响千粒重和水稻籽粒外观及品质的主要因素，由粒长、粒宽和粒厚决定，受多基因控制。现有研究显示，水稻籽粒大小的调控机制非常复杂，已鉴定的信号通路涉及植物激素信号、泛素-蛋白酶体途径、G 蛋白信号通路、MAPK 级联及转录调控 等1,4-8。尽管已经认识到多种植物激素在调控水稻籽粒发育过程中具有重要的作用9-10，但是目前对植物激素信号调控水稻粒型的分子机制的认识仍然不够系统。为此，本文以水稻胚乳发育过程中激素动态变化特征为切入点，聚焦于植物激素信号对籽粒发育和粒型调控的研究进展，对粒型调控相关植物激素信号网络进行梳理，旨在为深入研究植物激素信号在调控水稻粒型中的作用机制提供参考。1 水稻胚乳发育的基本过程水稻籽粒由颖壳（稃壳）和颖果（糙米）两部分组成，颖壳是禾本科植物特有的器官，由内稃和外稃组成，不仅为种子提供了保护层，同时形成了填充容器，设定了粒型上限11。水稻颖果由皮层（包括果皮和种皮）、胚乳和胚组成，它们分别由母体珠被、受精的中央细胞、受精卵发育而来。因此，种子的发育受母体和合子组织等因素协调控制12。胚乳是淀粉和蛋白质等物质的储藏部位，占据水稻种子的绝大部分体积，是人类食物的重要来源。水稻胚乳属于核型胚乳发育类型，根据细胞的形态和生理特征，可以将水稻胚乳发育过程划分为游离核期（受精后 0-3 d）、细胞化期（受精后 3-6 d）、储存物质积累期（受精后 6-16 d）、成熟期（受精后16-30 d）4 个主要阶段13。初生胚乳核在受精后 3.5 h 开始分裂，但该过程只发生核分裂而无胞质分裂，因此形成的是一个具有多个游离细胞核的单个胚乳细胞。受精后第 3 天，开始进行胞质分裂，并产生细胞壁，这一过程称为细胞化。细胞化约在第 5 天基本完成，此时胚乳细胞完全填满胚囊，并开始合成淀粉、脂质等储存物质。储存物质的积累一直持续到第 21 天，随后胚乳的干物质增长基本停滞，同时含水量进一步减少，直至成熟10。2 胚乳发育过程中植物激素的动态变化植物激素是调节高等植物发育和环境信号应答的重要分子。通过转录组分析、激素含量测定，以及胚乳特异性表达植物激素生物合成酶的研究，证明植物激素水平的动态变化在水稻胚乳发育中发挥至关重要的作用，特别是对粒型和籽粒成分的调控9-10。研究发现，不同的植物激素在胚乳发育过程中的积累各有特点（图 1），其中细胞分裂素（cytokinin,CK）含量在胚乳游离核期迅速增加，而当进入细胞化时期，其合成受到强烈抑制，一直到储藏物质积累时期都维持较低的水平；受精后脱落酸（abscisic acid,ABA）的合成稳步增加，当细胞化期完成时其含量到达峰值，在储藏阶段则逐渐降低；生长素（auxin）的合成（以吲哚乙酸 IAA 为例）在种子受精后 3 d 开始被激活，含量不断提高，进入储藏物质的积累阶段后，胚乳中生长素的含量迅速增加，并稳定维持在较高的水平；但茉莉酸（jasmonic acid,JA）水平的变化趋势则与上述激素相反，其含量在游离核期维持较高水平，随后逐渐下降，到受精第 6 天及之后的阶段均维持极低水平；油菜素内酯（brassinosteroid,BR）的合成在受精后迅速增加，第 3 天达到顶峰，随后逐渐降低10，BR 的变化趋势和 CK 类似，但峰值出现时间晚于 CK。赤霉素（gibberellin,GA）在胚乳发育过程中的积累仅在营养物质储藏时期有逐步增加的特征，但是在胚乳游离核期和细胞化时期都未检测到 GA14。乙烯（ethylene）在胚乳发育过程中的变化趋势类似 JA，乙烯含量在游离核期处于较高水平，随后逐渐降低，贯穿整个发育阶段15。然而植物激素在胚乳发育过程中的动态变化与调控胚乳发育的内在联系仍有待 深入研究。3 植物激素对籽粒发育的调控植物激素包括细胞分裂素、油菜素内酯、生长素、赤霉素、乙烯、茉莉酸和脱落酸等，对于水稻粒型调控具有重要作用，目前已克隆了数十个激素信号生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.882相关的粒型调控基因，分别涉及不同激素的合成或分解代谢途径、激素的信号传递等过程，还有些基因则涉及整合不同植物激素信号，协同调控粒型。3.1 细胞分裂素CK 通过组氨酸-天冬氨酸磷酸化信号调节植物生长发育。细胞分裂素由膜定位的组氨酸激酶受体感知，通过 His-Asp 磷酸化转导，激活细胞核中的几种转录因子。磷酸化过程涉及组氨酸受体激酶（histidine kinases,HKs）、组氨酸磷酸转移蛋白（histidine phosphotransfer proteins,HPs）和反应调节因子（response regulators,RRs）。CK 信号通路在调控水稻籽粒大小方面起着重要作用。如含有 DUF1645 结构域的蛋白 OsSGL 可以通过 CK 信号通路调节籽粒大小。研究显示，OsSGL过表达水稻的籽粒在纵向上表现出细胞长度和大小增加，以及细胞宽度减小16。此外，参与 CK 信号传导的几个基因，如 OsRR1 和 OsRR4，在 OsSGL 过表达水稻中表达量增加，推测 OsSGL 可能是 CK 信号传导上游的正调节因子17。CK 水平受生物合成和灭活途径的调节。在 CK代谢过程中，细胞分裂素氧化酶（cytokinin oxidases,CKXs）调控 CK 降解。外源施加 CK 能够抑制 CKXs表达，导致籽粒增大18。锌指转录因子 DST 能够结合于 OsCKX2 启动子，调控 OsCKX2 在穗部表达，DST 突变体的花序中 CK 水平升高，其穗粒数明显增加，千粒重也有所增加，而过表达 DST 的转基因水稻则穗粒数减少，粒重减小19。除了参与 CK 合成、降解和信号传导的基因外，还有一些粒型相关基因与 CK 的运输密切相关。例如显性突变体 bg3-D（big grain3）中，根和芽中的CK 含量增加，表现出籽粒显著增大，这是由嘌呤渗透酶 OsPUP4 的活化引起的。OsPUP4 的功能是调控CK 的运输，通过影响 CK 的分布调节植株表型，包括籽粒大小、籽粒数和叶片伸长等20。3.2 油菜素内酯BR 涉及调控植物多种发育过程，既可以单独也可与其他激素一起控制粒型。BR 相关突变体通常表现出籽粒大小的改变，BR 生物合成突变体（BR 缺陷）和 BR 信号突变体（BR 不敏感）均具有小粒表型。BR 生物合成突变体的籽粒减小表型，主要是由于内源性 BR 的减少，如 BRD1（Brassionsteroid-dependent1）21、BRD2（Brassionsteroid-dependent2）22、D2（EBISU DWARF）23和 D11（DWARF11）24呈现出粒长和粒宽都降低的表型，粒型的改变源于颖壳细胞的扩张受阻。CPB1（CLUSTERED PRIMARY BRANCH 1）25、GNS426和 PMM127是 分 别 被独立鉴定的 D11 新等位基因，编码细胞色素 P450蛋白，是 BR 生物合成途径的重要组分，通过调节BR 积累，影响水稻幼穗分化和穗形态。OsCPD1 和OsCPD2 是细胞色素 P450 单加氧酶 CYP90A 家族的成员，oscpd1 和 oscpd2 双突变体在整个生长期表现出多种异常的发育表型，其中包括粒长变短。通过施加 BL，可以补偿 oscpd 双突变体的表型缺陷，证实了该双突变体存在 BR 的内源性缺陷。与该突变体相反的是，OsCPD1 和 OsCPD2 的过表达水稻具有粒长变长的典型 BR 增强表型28。基于突变体的研究和同源克隆等方法，目前已在水稻中建立了一条从上游受体到下游转录因子，相对完整的 BR 信号通路。BR 被膜定位的受体激酶 OsBRI1 及其共受体 OsBAK1 感知3，启动游离核期Syncytium储存物质积累期Storage phase细胞化期Cellularization细胞分裂素CK脱落酸ABA生长素Auxin茉莉酸JA油菜素内酯BR赤霉素GA乙烯Ethylene16（d）036图 1 水稻胚乳发育过程中植物激素的动态变化示意图Fig.1 Schematic illustration of the phytohormones accu-mulation in developing rice endosperm2023,39(8)83姚莎莎等：植物激素信号通路调控水稻粒型的分子机制胞内信号传导的级联反应，激活转录因子 OsBZR1和 DLT，进而调节其靶基因的表达。GSK2 是一种GSK3/SHAGGY 样激酶，已被确定为 BR 信号传导的关键负调节因子。目前，已鉴定的 GSK2 作用靶标包括 DLT29、OsWRKY5330，以及 OVATE 家族蛋白（OVATE family proteins,OFPs），诸 如 OFP131、OFP332、OFP1933，GSK2 通过改变这些下游蛋白的磷酸化水平，控制水稻粒型。此外，GSK2 还能直接与粒型相关转录激活因子 GS2/LGS1/OsGRF434和 GS935结合，调节其转录活性。近来的研究发现，GSK2 下游的正调节因子 SG2 的突变体 sg2（small grain2）粒长和粒宽均变短，对外源性 BR 不敏感36，说明 SG2 处于 BR 信号通路中，参与对粒型的调控。除上述基因外，与籽粒大小相关的大多数 QTL，如 GW5/qSW5/GSE5 和 GS5 可能都参与水稻的 BR 信号传导。GW5/qSW5/GSE5 被确定为控制粒宽和粒重的主要 QTL37。GW5 的表达水平影响颖壳的细胞增殖，与粒宽呈负相关。GW5/qSW5/GSE5 编码钙调结合蛋白，定位于质膜上，通过与 GSK2 结合，抑制 GSK2 活性并介导 BR 响应，是 BR 信号传导的正调节因子38。GS5 编码丝氨酸羧肽酶，这是第一个被确定为正向调节粒型的 QTL39。对 GS5 启动子多态性的转基因研究显示，GS5 的表达水平与籽粒大小相关，GS5 表达量越高，籽粒越大。GS5 过表达可以竞争性地抑制 OsBAK1-7 与膜类固醇结合蛋白 1（OsMSBP1）之间的相互作用，从而阻止 OsBAK1-7被 OsMSBP1 内吞，增强 BR 信号传导40。3.3 生长素生长素通过调节生长素应答基因的表达来控制水稻发育过程，如种子生长、胚胎发育和配子体形成等41。生长素信号转导主要涉及 3 个蛋白质家族，分别为生长素辅助受体 TIR1/AFB（F-box transport inhibitor response 1/auxin signaling F-box protein）、转录抑制因子 AUX/IAA（auxin/indole-3-acetic acid）和生长素应答因子 ARF（auxin response factor）42。水稻粒型控制中的生长素相关基因，有些与生长素信号传递相关，如 qTGW3/TGW3/GL3.3 编码一种 GSK3/SHAGGY 样激酶 OsGSK5/OsSK41，该激酶与生长素应答因子 OsARF4 相互作用，进而抑制生长素应答基因的表达，负调控水稻的籽粒大小和粒重，OsGSK5/OsSK41 和 OsARF4 的功能缺陷突变体均表现为籽粒增大、粒重增加43。调控水稻粒型OsARF 基因，不止 OsARF4，研究表明，miR167a-OsARF6-OsAUX3 模块可调节水稻的粒长和粒重，OsARF6 可以直接与 OsAUX3 启动子上的生长素应答元件结合，而 miR167a 通过负调控 OsARF6 的表达，正向调控水稻籽粒大小，OsAUX3 和 OsARF6 的功能缺陷突变体以及 miR167a 的过表达植株均表现为粒长和粒重增加44。另一个重要的生长素信号传递基因 Gnp4/LAX2编 码 一 个 含 有 RAWUL（RING-finger and wd40-associated ubiquitin-like）结构域的蛋白质，涉及调控 OsIAA3-OsARF25-OsERF142/SMOS1 信 号 模 块，参与对粒型的控制。Gnp4/LAX2 的过表达可以显著增加籽粒长度和千粒重，这是由于 Gnp4/LAX2 可结合 OsIAA3，干扰 OsIAA3 与 OsARF25 的相互作用。OsIAA3 的 RNAi 植株表现为较长的籽粒，而突变体osarf25 具有较小的籽粒。在该通路中，OsARF25 结合在器官大小调节基因 OsERF142/SMOS1 的启动子上，激活其表达45。还有一些粒型基因则涉及生长素的合成与积累。最近研究表明，生长素积累的负调节因子 DNR1（Dull nitrogen response 1）的表达水平受外部氮素的调节。通过降低粳稻品种的 DNR1 水平，能够促进生长素积累，进而提高粳稻对氮的利用效率，使籽粒增大46。TSG1（Tillering and small grain 1）编码色氨酸氨基转移酶，tsg1 突变体表现为生长素缺陷的表型，包括分蘖数增加、穗数减少和籽粒减小等47。另一个粒型 QTLGSA1 编码一种 UDP 葡萄糖基转移酶，催化底物为黄酮类和木质素单体，通过影响类黄酮介导的生长素含量变化及相关基因表达，影响籽粒大小，GSA1 过表达导致籽粒增大，同时还能提高对非生物胁迫的耐受性48。3.4 赤霉素GA 在调节植物生长和发育过程中具有多重作用，包括种子萌发、枝条伸长、叶片扩张以及花、种子的发育等。近些年的研究表明，GA 信号通路在籽粒大小调控中也发挥重要的作用。拟南芥和水稻生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.884的 GA 信号通路均涉及核心抑制因子 DELLA 蛋白，在没有 GA 的情况下，通过 DELLA 蛋白抑制 GA 信号。当 GA 存在时，DELLA 蛋白与受体 GID1 结合后，构象发生变化，进而被 E3 泛素连接酶 SCFGID2/SLY1泛素化修饰，最终进入 26S 蛋白酶体被降解，从而解除 DELLA 对 GA 信号的抑制49。研究表明，已经鉴定了 GA 调控粒型信号通路 中 的 一 些 转 录 因 子，如 GAST（Gibberellic acid stimulated transcript）家族编码具有保守的富含半胱氨酸结构域的小肽，基因表达受 GA 的诱导50。GAST 家族的许多成员参与 GA 信号通路，正调控粒宽和粒重。GA 诱导该家族成员 GW6 在幼穗中高表达，通过促进颖壳细胞的扩张，增加粒宽，GW6 敲除株系表现为籽粒变小和粒重降低，而 GW6 过表达水稻则籽粒变大、粒重增加51；另一个 GAST 成员OsGASR9 也是响应 GA 反应的正调节因子，调控水稻株高、籽粒大小和产量。OsGASR9 的 RNAi 植株表现为株高降低、籽粒变小和产量降低，而其过表达植株则呈相反的性状52。WRKYs 转录因子同样与 GA 信号通路控制粒型有关。Lan 等53鉴定了一个 T-DNA 插入突变体sgsd3，该突变体具有小粒表型。进一步分析表明，突变基因编码一种 WRKY 转录因子 OsWRKY36，该转录因子通过稳定水稻中唯一的 DELLA 蛋白编码基因 SLR1 表达，抑制 GA 信号转导，从而负调控籽粒大小。转基因实验也证实 OsWRKY36 过表达植株表现为籽粒变小，而该基因的干扰植株和敲除株系均具有籽粒增大表型。另外一些粒型基因涉及 GA 生物合成途径，如SGD2（Small Grain and Dwarf 2）、OsBCL1/OsBCL2、GLW7.1、SNG1 等。其 中，SGD2 编 码 HD-Zip II 家族转录因子，sgd2 突变体表现出株高降低、籽粒变小、发芽率降低、抽穗延迟和生育力下降等 GA 缺乏的表型54，原因是突变体中 GA 生物合成受到抑制。近年的研究发现，受控于 OsBUL1 启动子的 OsBCL1和 OsBCL2 过表达转基因水稻籽粒增大，且 GA 生物合成相关基因表达水平显著高于对照水稻，提示OsBCL1 和 OsBCL2 通过正调控 GA 的生物合成，促进籽粒增大55。另一个粒型 QTL 位点 GLW7.1 编码CCT 基序家族蛋白 GHD7，作用方式同样是上调 GA生物合成基因的表达，通过提高内源 GA 含量，促进颖壳细胞分裂和扩张，导致籽粒增大56。近年来，发现 SNG1 编码一种己糖激酶样蛋白 OsHXK3，也是通过影响 GA 的生物合成和稳态，正调控籽粒大小和重量57。3.5 乙烯乙烯在促进叶片衰老、果实成熟、种子休眠中发挥重要作用。近年的研究发现，乙烯的生物合成和信号转导的变化均能影响水稻籽粒大小。调 控 籽 粒 内 源 乙 烯 的 水 平，能 够 改 变 粒型。乙烯是由甲硫氨酸（Met）通过三步反应合成的，其中活化的 Met 转化为 1-氨基环丙烷羧酸（1-aminocyclopropanecarboxylic acid,ACC）是限速步骤。有研究发现，在盐胁迫条件下，ACC 含量升高引起的乙烯积累，阻碍水稻的生长发育，而 ACC 脱氨酶可以缓解盐胁迫导致的高乙烯水平。5-磷酸吡哆醛（pyridoxal 5-phosphate hydrate,PLP）是一种ACC 脱氨酶辅助因子，PLP 作为 ACC 的抑制剂，可通过缓解盐碱条件下乙烯的高积累，促进植物生长发育。利用 PLP 的抑制效应，可以提高水稻千粒重，单株产量和总生物量58。对水稻精胺合酶编码基因 OsSPMS1 的转基因研究发现，RNAi 株系籽粒中ACC 和乙烯含量显著高于野生型，而过表达植株种子中乙烯含量显著低于野生型，该基因负调控籽粒大小、单株产量以及种子萌发59。除了上述涉及乙烯合成途径的粒型基因，目前还发现有些粒型基因与乙烯信号通路相关，乙烯信号通路中已知的组分主要有负调节因子 CTR1（constitutive triple response 1）、正 调 节 因 子 EIN2（ethylene insensitive 2）、转 录 因 子 EIN3 和 EIL1（EIN3-LIKE1）以及乙烯反应因子（ERFs）60。其中，乙烯反应因子 OsERF115 是被鉴定的乙烯信号通路中关键的下游因子。OsERF115 编码一种 AP2/ERF型转录因子，在幼穗和发育中的颖果中特异性表达。OsERF115 的转录受乙烯强烈诱导，这是通过OsEIL1 直接与 OsERF115 启动子结合，激活其表达实现的。转基因实验证实，过表达 OsERF115 通过促进颖壳细胞的纵向伸长和横向分裂，增强灌浆活性，显著增加粒长、粒宽和粒厚，提高粒重，而其敲除突变体的表型与之相反，表明 OsERF115 正调2023,39(8)85姚莎莎等：植物激素信号通路调控水稻粒型的分子机制控籽粒大小和粒重61。3.6 茉莉酸JA 及其衍生物作为重要的脂质衍生激素，在调节植物生长和发育以及适应各种生物和非生物胁迫方面发挥重要作用。近期研究发现，茉莉酸信号通路途径也涉及籽粒大小调控。如与野生型相比，响应 JA 信号的缬氨酸-谷氨酰胺（valine-glutamine,VQ）基序蛋白编码基因 OsVQ13 的过表达株系具有籽粒变大的表型。丝裂原活化蛋白激酶基因 OsMPK6 过表达株系也具有籽粒增大的表型，进一步的研究显示 OsVQ13 与 OsMPK6 存在相互作用，共同参与籽粒大小的调控62。水稻 JA 信号抑制因子 OsJAZ11 在种子发育过程中高表达，与野生型相比，过表达 OsJAZ11 转基因水稻粒宽和粒重都有所增加，但是籽粒灌浆和产量却有所降低。对其作用机制的研究发现，OsJAZ11通过协调 OsGW7 和 MADS 等粒型调控基因的表达，参与种子大小和小穗发育的调控63-64，在 OsJAZ11过表达株系中，JA 生物合成/信号传导和 MADS-box 的表达水平均发生了改变，并且籽粒大小负调节因子 OsGW7 的表达在 OsJAZ11 过表达株系中显著降低65，因此，OsJAZ11 通过 JA 生物合成和信号传导途径影响水稻籽粒大小。3.7 脱落酸虽然以往对 ABA 与籽粒关系的研究主要侧重在种子休眠和耐旱方面，但在胚乳发育过程中已检测到 ABA 水平的动态变化。研究发现 ABA 参与控制水稻籽粒中营养物质的积累，并影响水稻籽粒的灌浆和大小66。如 OsNCED3 编码脱落酸生物合成酶，在发育种子的胚中高表达，调控水稻籽粒发育。利用 CRISPR/Cas9 技术敲除该基因，在突变体的胚中，ABA 含量较低，而 GA 水平则较高，从而加速了胚的发育，并提前打破种子休眠，同时导致籽粒减小，而过表达 OsNCED3 则导致籽粒增大、粒重增加67。3.8 其他可协同多个植物激素通路的粒型调控 因子现有的研究发现，一些粒型相关基因并不仅仅在一条激素信号通路中起作用。如 PPKL1 是整合调控粒型的 BR 信号与 CK 信号的关键分子。在 CK 信号传递中，PPKL1 作为磷酸酶，通过与 OsAHP2 相互作用，抑制 CK 信号的传递。但是当 PPKL1 关键位点突变后，则解除对 CK 信号的抑制，导致PPKL1 的半显性突变体的籽粒增大68。在 BR 信号通路中，OsPPKL1 通过调节 OsGSK3 的磷酸化水平及其稳定性，负调节籽粒大小，还能通过调节OsBZR1 的磷酸化水平及亚细胞定位，抑制 BR 信号传递69。近期分离鉴定的 PPKL1 上游蛋白 OsBSK3可以活化 BR 信号，正调控籽粒大小70，PPKL1 相互作用蛋白 OsAK3 也被证明参与调节水稻 BR 信号传导，正调控籽粒大小71。异源三聚体 GTP 结合蛋白（G 蛋白）与籽粒大小调控相关，并参与不同激素信号的传递。例如，G 蛋白的-亚基 RGB1 不仅参与 CK 生物合成的调节，而且还参与生长素信号通路的调控。抑制 RGB1的表达会提高幼穗中 CKXs 的表达，导致内源 CK 水平降低，籽粒减小72；在生长素信号通路中，受RGB1 调控的下游效应分子之一是转录因子 OsNF-YB1，该转录因子激活生长素合成基因 OsYUC11 的表达，通过提高生长素的水平，导致籽粒增大73。此外，G 蛋白的 亚基 DEP1/qPE9-1 则通过生长素信号和 CK 途径，正调控淀粉积累，导致籽粒 变大74-75。一些转录因子在协同不同激素信号调控粒型中也发挥重要作用，如 NAC 转录因子 OsNAC129 可能参与协调 BR 和 ABA 信号，调节淀粉合成、籽粒填充等多种生物过程，负调控粒型76。一些 OFP 转录因子成员作为 OsGSK2 的底物参与 BR 信号传递，控制粒型，还有些则与 GA 信号相关。如 OsOFP1过表达水稻还可以抑制 GA 合成，导致粒长缩短和粒宽增加32。OsOFP22 过表达能促进 SLR1 蛋白的积累，在抑制 GA 信号传递的同时，也抑制 BR 信号应答基因的表达，调节水稻株型和粒型77。已鉴定的调控水稻粒型的植物激素信号基因如表 1 所示。4 展望水稻粒型是复杂的数量性状，水稻粒型调控分子机制也非常复杂。水稻粒型调控不仅涉及多种信号通路1,4-8，而且受到包括营养、田间管理、种植区域等环境因素的显著影响4。生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.886表 1 已鉴定的调控水稻粒型的植物激素信号基因Table 1 Identified phytohormone signalling genes regulating grain size in rice植物激素Plant hormone基因Gene基因登录号Accession No.蛋白类型Protein category正/负调控Positive（+）/negative（-）regulator参考文献References细胞分裂素Cytokinin OsSGLLOC_Os02g04130DUF1645 蛋白粒长（+）粒宽（-）16-17DSTOs03g0786400锌指转录因子粒重（-）19BG3/OsPUP4Os01g0680200嘌呤渗透酶粒长（-）粒宽（-）粒重（-）20油菜素内酯 Brassinolide GS5Os05g0158500丝氨酸羧肽酶粒宽（+）粒重（+）40BRI1Os01g0718300受体激酶粒宽（-）3BAK1Os03g0440900BRI1 相关激酶粒长（+）粒宽（+）粒重（+）3BZR1Os07g0580500BZR 转录因子粒长（+）粒宽（+）粒重（+）3GW5Os05g0187500钙调素结合蛋白粒宽（-）37-38OFP19Os05g0324600OVATE 家族蛋白粒长（-）粒宽（+）33GS2/OsGRF4Os02g0701300转录因子粒长（+）粒宽（+）粒重（+）34OsWRKY53Os05g0343400WRKY 转录因子粒长（+）粒宽（+）30GS9Os09g0448500转录激活因子粒长（-）粒宽（+）35DLTOs06g0127600GRAS 家族蛋白粒长（+）粒宽（-）粒重（-）29D11Os04g0469800细胞色素 P450 蛋白粒长（+）粒宽（+）24D2LOC_Os01g10040细胞色素 P450 蛋白粒长（+）粒宽（+）23BRD1OS03g0602300生物合成酶粒长（+）粒宽（+）21BRD2OS10g0397400生物合成酶粒长（+）粒宽（+）22生长素 AuxinOsARF4Os01g0927600生长素应答因子粒长（-）粒宽（-）粒重（-）43OsARF6Os02g0164900生长素应答因子粒长（-）粒重（-）44OsAUX3Os05g0447200生长素转运载体粒长（-）粒重（-）44Gnp4/LAX2Os04g0396500RAWUL 蛋白粒长（+）粒重（+）45OsIAA3Os12g0601400Aux/IAA 蛋白粒长（-）45OsARF25Os12g0613700转录因子粒长（+）粒宽（+）45GSA1Os03g0757500UDP 葡萄糖基转移酶粒长（+）粒宽（+）粒重（+）48TSG1LOC_Os01g07500色氨酸氨基转移酶粒长（+）粒宽（+）粒重（+）47DNR1LOC_Os01g08270生长素应答因子粒重（+）46赤霉素 Gibberellin GW6Os06g0266800GAST 家族蛋白粒长（+）粒宽（+）粒重（+）51OsGASR9Os07g0592000GAST 家族蛋白粒长（+）粒宽（+）粒重（+）52OsWRKY36Os04g0545000WRKY 转录因子粒长（-）粒宽（-）粒重（-）53SGD2Os01g0643600HD-Zip 转录因子粒长（+）粒宽（+）粒重（+）54OsBC1Os09g0510500bHLH 转录因子粒长（+）粒宽（-）粒重（+）55SNG1Os01g0940100己糖激酶样蛋白粒长（+）粒宽（+）粒重（+）57乙烯 EthyleneOsERF115Os08g0521600ERF 转录因子粒宽（+）61茉莉酸 Jasmonic acidOsJAZ11Os03g0180900JAZ 蛋白粒长（+）粒宽（+）粒重（+）63-64脱落酸 Abscisic acidOsNCED3Os03g06459009-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶粒长（+）粒宽（+）粒重（+）67其他调控因子 Other regulatorsRGB1Os03g0669200G 亚基粒长（+）72qPE9-1/DEP1Os09g0441900G 亚基粒长（+）74-75qGL3/OsPPKL1Os03g0646900丝氨酸/苏氨酸磷酸酶粒长（-）68-69OsYUC11Os12g0189500黄素单加氧酶粒重（+）732023,39(8)87姚莎莎等：植物激素信号通路调控水稻粒型的分子机制作为热点问题之一，粒型调控机制的研究近年来取得了较大的进展，借助于图位克隆、基因组编辑技术、表达谱分析、激素含量测定和表型观察等手段，研究证实植物激素水平的动态变化在决定水稻粒型和营养成分积累中发挥着关键和独特作用。如生长素和 GA 促进籽粒长度；CK 促进籽粒的长度但抑制了粒宽，产生细长的籽粒；而 BR、乙烯和JA 同时促进粒长和粒宽9-10,62,65。水稻粒型相关基因也在持续的分离和鉴定当中，目前，推测这些基因主要涉及调控植物激