浙江大学边红武课题组系统揭示水稻生长素受体TIR1/AFB家族基因的功能

来源：BioArt植物

水稻作为单子叶植物的模式物种，具有许多与双子叶植物拟南芥不同的生长发育特征【1】。另外，单子叶植物与双子叶植物对生长素类除草剂的抗性存在很大差异【2】。与双子叶植物相比，单子叶植物对外源合成生长素的感知或反应不同。生长素共受体TIR1/AFB介导的信号传导通路参与了植物生长发育的各个过程【3-6】。生长素受体研究对于揭示生长素信号转导途径以及深入了解生长素参与植物诸多生理过程的作用机制具有重要的科学意义。拟南芥基因组编码的6个TIR1/AFB蛋白存在着广泛的功能冗余性，其中TIR1或AFB2的单一野生型等位基因足以支持整个发育过程中的生长【7】。然而，关于该蛋白家族成员在拟南芥以外的物种中的多样性功能却知之甚少。

近日，浙江大学生命科学学院边红武课题组与中国水稻研究所钱前课题组合作在New Phytologist杂志在线发表了题为Functional analysis of auxin receptor OsTIR1/OsAFB family members in rice grain yield, tillering, plant height, root system, germination, and auxinic herbicide resistance的研究论文。该研究基于遗传学、生理学和蛋白质相互作用等手段对水稻生长素共受体基因家族进行了系统分析。展示了TIR1/AFB家族成员在水稻生长发育及抗除草剂中的多样性功能。对于如此重要的蛋白质家族，这是第一次在拟南芥以外的物种上发表系统详细的研究成果。

该课题组前期研究报道了OsTIR1与OsAFB2， 是拟南芥生长素受体TIR1/AFB2在水稻中的同源基因，受到microRNA393的转录后负调控， 在水稻生长发育中起着重要作用 【8-9】。

该研究利用CRISPR/Cas9编辑系统创制了OsTIR1与OsAFB2的单突变体和双突变体。虽然Ostir1Osafb2双突变体在生长发育过程中存在严重缺陷，但仍能够获得一个可育系，暗示了水稻基因组中还存在其他生长素受体基因。利用序列同源性及与IAA蛋白互作的Co-IP和BiFC实验，该课题组确定了另外三个高度相似的同源基因，命名为OsAFB3、OsAFB4和OsAFB5，并构建了CRISPR/Cas9编辑的功能缺失突变体。通过系统地对水稻生长素共受体家族的5个成员突变体进行了详细的表型分析（株高、分蘖数、每穗实粒数、主根长、冠根数、侧根密度、萌发率、成熟胚形态），发现这5个基因的缺失突变都会干扰水稻的正常生长，具有广泛的功能冗余性。相对而言， OsTIR1、 OsAFB2和 OsAFB4在水稻生长发育中扮演着更为重要的作用。

除草剂抗性分析结果表明，所有Ostir1和Osafb2-5单突变体对生长素类除草剂2,4-D都有轻微的抗性，其中Osafb2 和Osafb4的抗性相对较强。有趣的是，只有Osafb4对除草剂毒莠定（piclarom）具有很强的抗性，而其他单突变株系抗性很弱甚至没有抗性。这个结果暗示了OsAFB4是5个成员中特异性结合毒莠定的唯一受体。此发现为单子叶作物中有效的抗除草剂等位基因的修饰提供了线索。

OsTIR1/AFBs生长素共受体家族生物学功能及其对除草剂不同反应的模型

综上所述，该研究系统性揭示了水稻生长素共受体基因家族对水稻生长发育中的功能和生长素类除草剂选择性结合能力的差异，深化了人们对单子叶植物生长素信号传导的理解。

浙江大学生命科学学院遗传与再生生物学研究所边红武副教授为本文通讯作者，浙江大学遗传与再生生物学研究所博士后郭芾和博士生黄伊子为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省科学基金、中国农业农村部CARS项目和中国博士后科学基金的资助。

参考文献：

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