湖南农业大学水稻逆境生物学湖南省重点实验室叶能辉/段美娟团队揭示OsMYB30-OsTPP1分子模块响应低温信号调控水稻种子萌发的分子机理

水稻是我国最为重要的粮食作物之一，起源于热带和亚热带。作为喜温作物，水稻的生长发育对低温胁迫非常敏感。而种子萌发率及秧苗素质是影响水稻最终产量和品质的重要指标。耐低温萌发（LTG）是有利水稻直播栽培的一个重要农艺性状，了解低温信号的传导调控机制对水稻生长发育的影响，将为耐冷水稻品种的培育和低温性状改良具有重要意义。

近日，湖南农业大学水稻逆境生物学湖南省重点实验室叶能辉教授/段美娟研究员团队联合香港浸会大学张建华教授团队和湖北大学何玉池教授团队在国际期刊Plant Physiology发表了题为“Transcription factor OsMYB30 increases trehalose content to inhibit α-amylase and seed germination at low temperature”的研究论文。

该研究发现水稻种子萌发过程中，低温信号刺激能够显著诱导OsMYB30基因上调表达。功能验证发现过表达OsMYB30基因可显著抑制水稻种子萌发，且在低温条件下的抑制更为明显。表明OsMYB30参与水稻种子响应低温信号从而抑制种子萌发的过程。

图1 低温诱导OsMYB30抑制种子萌发

转录组分析发现过表达OE-OsMYB30材料中，海藻糖合成基因OsTPP1的表达显著上调。相反，在osmyb30突变体中，OsTPP1基因的表达则明显下调。这一发现提示了OsMYB30正向调控OsTPP1的关键作用。进一步分子互作实验证实了转录因子OsMYB30能够直接结合OsTPP1上游启动子区域并激活其表达，过表达OsTPP1基因同样显著抑制种子萌发。代谢物分析和遗传学分析结果显示，过表达OsMYB30和OsTPP1均能够导致种子中海藻糖含量的过量积累以及淀粉酶基因OsAMY1a表达显著下调。值得关注的是，低温信号和外源海藻糖处理均能够抑制OsAMY1a基因的表达，造成种子中α-淀粉酶活性不足，种子的萌发受到抑制。同时osamy1a突变体对外源海藻糖处理的不敏感，进一步证实了海藻糖信号主要通过调控osamy1a基因来响应低温信号并抑制种子萌发。

图2 低温诱导海藻糖过量积累抑制OsAMY1a基因表达

综上所述，该研究揭示了低温信号诱导OsMYB30，通过激活海藻糖合成基因OsTPP1基因表达，导致种子中海藻糖积累和α-淀粉酶活性的抑制，从而抑制低温下种子萌发的分子机制。该研究发现了一条独立于植物激素信号通路外，水稻转录因子通过整合环境信号与内部糖信号调控种子低温萌发的新途径。为深入理解水稻种子萌发过程及其机理，培育耐低温萌发新品种提供新的思路和基因资源。

图3 OsMYB30-OsTPP1模块调控水稻种子低温萌发的工作模型

嫩芽研究院ncxx23毕业学生于辉辉博士、滕振宁博士和青年教师刘伯涵博士为该论文共同第一作者。湖南农业大学水稻逆境生物学湖南省重点实验室叶能辉教授/段美娟研究员、香港浸会大学张建华教授、湖北大学何玉池教授为该论文的通讯作者。该研究得到了湖南省科技创新重点研发计划（2023NK1010），国家自然科学基金（U21A20208, 32171927）和香港研究资助局（GRF12102423, GRF12101722）等项目的资助。

叶能辉教授和张建华教授团队长期从事植物种子萌发调控机理研究，揭示了一氧化氮，过氧化氢和抗坏血酸介导植物激素ABA和GA之间的互作调控种子萌发的机制（Liu et al. 2009, 2010; Ye et al. 2012）；鉴定了调控水稻耐淹萌发的关键基因OsCBL10（Ye et al. 2018）；初步解析海藻糖合成基因在正常萌发条件下调控ABA和GA之间的互作进而调控种子萌发的机制（Wang et al. 2021），及其在低温胁迫下通过OsMYB30-OsTPP1分子模块抑制种子萌发的分子机理（Yu et al. 2023）。

参考文献：

Liu, Y., Shi, L., Ye, N., Liu, R., Jia, W., & Zhang, J. (2009). Nitric oxide‐induced rapid decrease of abscisic acid concentration is required in breaking seed dormancy in Arabidopsis. New Phytologist, 183(4), 1030-1042.

Liu, Y., Ye, N., Liu, R., Chen, M., & Zhang, J. (2010). H2O2 mediates the regulation of ABA catabolism and GA biosynthesis in Arabidopsis seed dormancy and germination. Journal of Experimental Botany, 61(11), 2979-2990.

Ye, N., Zhu, G., Liu, Y., Zhang, A., Li, Y., Liu, R., ... & Zhang, J. (2012). Ascorbic acid and reactive oxygen species are involved in the inhibition of seed germination by abscisic acid in rice seeds. Journal of experimental botany, 63(5), 1809-1822.

Ye, N. H., Wang, F. Z., Shi, L., Chen, M. X., Cao, Y. Y., Zhu, F. Y., ... & Liu, Y. G. (2018). Natural variation in the promoter of rice calcineurin B‐like protein10 (Os CBL 10) affects flooding tolerance during seed germination among rice subspecies. The Plant Journal, 94(4), 612-625.

Wang, G., Li, X., Ye, N*., Huang, M., Feng, L., Li, H*., & Zhang, J*. (2021). OsTPP1 regulates seed germination through the crosstalk with abscisic acid in rice. New Phytologist, 230(5), 1925-1939.

Yu H, Teng Z, Liu B, Lv J, Chen Y, Qin Z, Peng Y, Meng S, He Y*, Duan M*, Zhang J*, Ye N* (2023). Transcription factor OsMYB30 increases trehalose content to inhibit α-amylase and seed germination at low temperature, Plant Physiology, kiad650, https://doi.org/10.1093/plphys/kiad650.

通讯员：刘伯涵