4月18日，我校劉耀光院士團隊聯合廣東省農業科學院水稻研究所周德貴副研究員團隊在Journal of Genetics and Genomics在線發表了題為“Copy number variation of NAL23 causes narrow-leaf development in rice”的研究論文。該研究克隆了兩個編碼核糖體40S小亞基蛋白的葉寬調控基因NAL23-1和NAL23-2，提出核糖體蛋白劑量改變可能影響葉片核糖體裝配，進而影響生長素和細胞分裂素等信號通路，最終調控葉片寬度，為理解葉片寬度的發育調控提供新視角。
葉片是水稻最重要的器官之一，直接影響水稻的光合作用、養分吸收和呼吸蒸騰。同時，葉片形態也是決定水稻株型的重要指標，而葉片寬度是決定葉片形態的重要因素。因此，研究水稻葉寬性狀對改良水稻株型和提高光合效率具有重要意義。前期研究表明，水稻葉寬是由多基因控制的復雜數量性狀。目前已有部分調控水稻葉寬的基因被克隆，但是關于水稻葉寬發育的遺傳調控機制還有待深入研究。
該研究發現一個自發突變的水稻窄葉突變體nal23，遺傳分析表明nal23性狀由單個基因座位控制。圖位克隆結合混池測序(Bulked segregant analysis, BSA)和三代測序技術(Oxford Nanopore Technology sequencing, ONT)發現，nal23突變體中一個27.7 kb的串聯重復片段(copy number variation, CNV)可能導致窄葉表型。利用CRISPR/Cas9特異刪除該27.7 kb重復片段的一個拷貝，成功恢復寬葉表型，說明nal23突變體CNV是導致nal23窄葉表型的關鍵。該重復區段包含五個基因，過量表達和敲除實驗表明，兩個編碼核糖體40S小亞基蛋白的NAL23-1 (ORF3)和NAL23-2 (ORF4)參與調控nal23突變體葉片寬度。進一步分析發現，與野生型相比，突變體nal23中核糖體合成、生長素生物合成、信號通路以及細胞增殖相關基因的表達水平發生改變，同時IAA含量顯著降低。
NAL23座位基因組結構變異調控水稻葉寬
A–D: 野生型(HMZ)和突變體植株(A)、劍葉(B)、倒二葉(C)、倒三葉(D)的表型比較；E: 野生型和突變體上三葉的葉寬統計；F: 野生型和突變體NAL23基因組結構變異(上)及其調控葉寬的分子機理(下)。
綜上所述，該研究發現兩個核糖體40S小亞基蛋白編碼基因NAL23-1和NAL23-2的拷貝數變異導致其表達量加倍，可能通過打破核糖體合成、生長素合成及信號轉導等途徑的平衡關系，進而調控葉片寬度。該研究進一步完善了核糖體介導葉片寬度調控的分子機制，為后續構建理想株型、改良水稻品種提供理論基礎。
周德貴副研究員和博士生李亞靜為該論文共同第一作者，劉耀光院士和沈榮鑫副教授及廣東省農業科學院水稻研究所譚健韜副研究員為共同通訊作者。相關工作得到“十四五”廣東省重大農業科技創新十大主攻方向“揭榜掛帥”項目、廣東省基礎與應用基礎研究項目、嶺南現代農業實驗室項目、海南崖州灣種子實驗室項目、國家自然科學基金等項目資助。
相關論文信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1673852724000766
文圖/生命科學學院 沈榮鑫
