中国水稻研究所胡兴明/钱前发现调控水稻基本营养生长特性的关键因子OsLHP1

来源：BioArt植物

栽培稻生育期由感温性，感光性和基本营养生长性所谓“三性”来控制。其生命周期中一般经历以下四个阶段：胚胎形成阶段；营养期中的幼年阶段（该阶段无论光温如何处理水稻品种都无法提前开花）；营养阶段中可以被光温诱导前开花阶段，称之为成年阶段；花序形成，形成配子，完成传粉受精的生殖生长阶段 (Itoh et al. 2005)。

栽培稻是禾本科中一类比较特殊类型的雌雄同花，自交授粉物种。在胚胎形成过程中，其幼年期异养类型的最初三片叶片也提前预先发育完成，并也随胚胎发育成熟后失去光合能力，与胚胎脱水干燥进入休眠期，待种子在合适条件后发芽后，胚胎内形成的三个幼叶会次第展开。栽培稻中这种胚胎发育与营养生长期共存，幼年期叶片发育早于一般物种的叶片形成发生在胚后发育的现象，称为异生性（Heterochrony），决定这种发育程序改变的基因称为异生性基因（Heterochonic gene ）(Asai et al. 2002)。

水稻完成胚后发育并在合适环境下经人工催芽出苗之后，预先生成前三片叶片会以比较短的出叶间隔（Plastochron）完成叶片生长和展开。其后从水稻主茎生长出来的侧生叶片随叶片在茎上着生的位置上升，或者说茎不断发育进程，开始形成完整叶脉和具备自养的光合功能。不同的水稻品种，在胚胎中三片幼叶展开之后，到光温处理开始能开始发挥作用的时间间隔是不同的，换句话说，水稻品种中内在基本营养性强弱与幼年期长短紧密相关。从以往的育种和栽培实践来看，这种不受光温等环境条件改变开花时间特性是控制水稻生育期的主要因素之一。

最近20年，得力于突变体遗传分析的手段，研究人员发现影响出叶间隔和顶端分生组织发育的不同等位plastochron1,2,3突变体可以加长基本营养生长期，而且在拟南芥，玉米等多个物种中保守的miR156-SPLs-miR172-AP2的分子基因模块是控制栽培水稻幼年期向成年期转化重要通路 (Wang et al. 2009; Wu et al. 2009; Wang et al. 2015)。利用这个模块中spl14不同等位突变体种质（IPA1半显性自发突变种质）(Jiao et al. 2010; Miura et al. 2010) 和qHD5（AP2家族中其中一个自发突变基因 Os05g03040）(Sun et al. 2017) 可以很好地协调营养生殖之间分蘖和穗分枝，穗粒数的关系，巧妙搭配生育期可以延迟特性等其他优良性状，这类株型育种的品种在生产上具有很大推广面积。

中国水稻研究所钱前院士领导的种质创新研究组长期关注水稻茎形态发育过程不同阶段表型变化背后的表观遗传调控突变体。近期，胡兴明博士利用CRISPR-Cas9技术对水稻中拟南芥的Polycomb Complex 复合物1,2同源基因进行编辑，发现OsLHP1 (Oryza sativa LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1) 是调控水稻基本营养生长特性的关键因子，相关研究结果以The Heterochronic Gene Oryza sativa LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1 Modulates miR156b/c/i/e Levels 为题于近日发表在Journal of Integrative Plant Biology上。

该研究团队在系统地研究水稻异时性突变体leafy head2 (Plastochron2) (Guo et al. 2006; Kawakatsu et al. 2006) 之后, 又筛选到一系列这类突变体，包括不同位点显性突变的miR156s基因。基于Poethig 等人在拟南芥的研究结果，该团队认为组蛋白H3k27me3甲基化修饰不同MIR156位点，通过有丝分裂方式进行表观调控不同类型细胞内的miR156基因表达水平一样会存在于水稻中 (Brink 1962; Xu et al. 2016a; Xu et al. 2016b)。因此，该团队利用CRISPR-Cas9技术，把拟南芥已知的Polycomb Complex 复合物1,2对应于水稻的同源基因进行一一编辑，发现只有Oryza sativa LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1（拟南芥LHP1同源基因）基因编辑后得到的突变体十分类似于miR156过表达或者显性突变的表型。通过转录组分析和northern实验进一步证明了在幼年期两者的体内miR156均异位高表达，与突变表型十分吻合。

以H3k27m3为抗体，在野生型与突变的Oslhp1-2 进行全基因组的Chip-to-Chip序列分析发现，H3k27me3在突变体的MIR156b/c/i/e启动子区均显著降低，对应的基因转录水平明显比野生型高，说明水稻基本营养生长阶段通过介导H3k27me3水平来调控这3个不同位点的miR156基因水平。

然而，目前尚不清楚水稻基本营养生长阶段是与哪些信号和转录因子协同，以及如何调控对应miR156的表达水平，这需要后续更多工作来解析。

OsLHP1调控miR156b/c/e/i基因表达

据悉，中国水稻研究所已毕业博士研究生崔永涛为论文的第一作者，胡兴明博士和钱前研究员为共同通讯作者。中科院上海植物生理生态研究所张一婧研究员团队和浙江大学生命科学院边红武副教授团队也参与部分工作。