山东农大王永红张宁团队综述水稻和小麦分蘖与穗分枝调控机制

2024年12月14日，山东农业大学王永红教授和张宁教授团队在《Journal of Genetics and Genomics》发表题为“Regulation of tillering and panicle branching in rice and wheat”的综述论文，系统总结了水稻和小麦分蘖与穗分枝调控的最新研究进展，并讨论了二者在调控中的异同。水稻分蘖与穗分枝的遗传和激素调控网络关键基因功能：综述详细介绍了水稻中多个关键基因在分蘖与穗分枝建成中的功能。例如，OsMOC1基因是调控水稻分蘖的重要基因，它在水稻分蘖芽的形成和发育过程中发挥着关键作用，其表达水平的改变会显著影响水稻的分蘖数量。OsIPA1基因则在水稻穗分枝和分蘖的调控中具有双重作用，它可以通过调控下游基因的表达，影响穗分枝的数目和分蘖的发生。激素调控机制：独角金内酯和细胞分裂素等激素通过信号传导调控水稻分蘖与穗分枝过程。独角金内酯能够抑制水稻分蘖芽的生长，当独角金内酯信号传导受阻时，水稻的分蘖数量会增加。细胞分裂素则主要促进细胞分裂和分化，在水稻穗分枝的形成过程中发挥重要作用，它可以促进穗分枝原基的发育和分化，增加穗分枝的数目。水稻和小麦在分蘖与穗分枝调控中的异同相同点：在核心调控因子方面，小麦和水稻表现出高度保守性。例如，核心调控因子如MOC1和IPA1等基因在小麦和水稻中功能相似，这些基因在两种作物中都可以调控分蘖和穗分枝的发生和发展，说明它们在进化过程中保留了相似的调控机制。不同点：独脚金内酯核心组成部分（D27、D14等）在小麦分蘖调控中的作用类似于水稻，但在株高调控方面存在显著差异。这表明独脚金内酯在不同作物中虽然对分蘖的调控机制有一定的相似性，但对其他农艺性状的调控可能存在物种特异性。此外，小麦的无分枝穗结构与水稻复杂的分枝穗显著不同，这是两种作物在穗部形态上的重要差异，也反映了它们在进化过程中对不同生态环境的适应。环境因素对水稻和小麦分蘖与穗分枝的影响氮素供给：氮素是植物生长发育所必需的重要营养元素之一，氮素供给水平会影响水稻和小麦的分蘖与穗分枝。适量的氮素供应可以促进分蘖和穗分枝的发生，提高作物的产量。然而，氮素供应过多或过少都会对作物的生长发育产生不利影响。例如，氮素供应过多可能导致水稻和小麦徒长，分蘖过多但穗小，从而降低产量；而氮素供应不足则会导致分蘖和穗分枝减少，影响作物的产量和品质。水分胁迫：水分胁迫包括干旱和涝害等，会对水稻和小麦的分蘖与穗分枝产生显著影响。干旱胁迫会抑制水稻和小麦的分蘖和穗分枝发生，导致作物生长受阻，产量下降。涝害则会导致作物根系缺氧，影响根系对水分和养分的吸收，进而影响地上部分的生长发育，导致分蘖和穗分枝减少。其他环境因素：除了氮素供给和水分胁迫外，光照、温度等环境因素也会影响水稻和小麦的分蘖与穗分枝。例如，光照强度和光照时间会影响植物的光合作用和激素合成，从而影响分蘖和穗分枝的发生。温度过高或过低都会对作物的生长发育产生不利影响，影响分蘖和穗分枝的正常形成。环境因素影响水稻和小麦分蘖与穗分枝的分子机制 箭头和阻断箭头分别表示正调控和负调控。圆角矩形表示蛋白质；LT，低温；HT，高温；R/FR，红光/远红光。未来研究方向揭示新的调控机制：未来研究可以整合遗传学和多组学数据，如基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等，以揭示水稻和小麦分蘖与穗分枝调控的新机制。通过多组学数据的分析，可以更全面地了解基因、蛋白质和代谢物在分蘖与穗分枝调控中的作用和相互关系，为作物遗传改良提供新的理论依据。优化分蘖与穗分枝结构：利用分子育种手段优化水稻和小麦的分蘖与穗分枝结构，是实现产量提高的重要途径。通过基因编辑、转基因等技术，可以对关键调控基因进行精准编辑和调控，从而改变作物的分蘖和穗分枝数目和形态，提高作物的产量和品质。同时，结合传统育种方法，选育出具有优良分蘖和穗分枝性状的作物品种，为农业生产提供更好的种质资源。作者简介：山东农业大学张宁教授与博士生刘宇豪为该综述共同第一作者，王永红教授和张宁教授为共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和山东省顶尖人才“一事一议”项目等资助。引用本文：Ning Zhang, Yuhao Liu, Songtao Gui, Yonghong Wang. (2024). Regulation of tillering and panicle branching in rice and wheat. Journal of Genetics and Genomics.DOI：10.1016/j.jgg.2024.12.005