水稻OsCTPS1合酶调控早期胚乳发育的功能与机制

2021年5月31日，Plant Biotechnology Journal在线发表了韩国庆熙大学Gynheung An（安镇兴）教授所带领团队完成的题为“CTP synthase is essential for early endosperm development by regulating nuclei spacing”的研究成果。该研究发现水稻三磷酸胞苷合酶OsCTPS1通过调控胚乳核间距，从而在早期胚乳发育过程中发挥至关重要的作用。

研究背景

胚乳是谷粒的主要组成部分，它储存着淀粉、蛋白质和种子早期萌发所需的其他营养物质。胚乳发育的最明显特征之一是受精的中央细胞（又称受精极核）在发育早期（合胞体阶段）进行快速核分裂，而不形成细胞壁，从而导致多核细胞的产生，这一过程在决定种子大小方面起重要作用。尽管一些与谷物胚乳储存相关的基因已被研究，但在水稻中仅鉴定发现了少数影响早期胚乳发育的基因。

主要结果

1.enl2-1突变体表型鉴定与图位克隆

本研究对种子发育缺陷的粳稻品种个体进行鉴定发现，有1/4的种子发育异常，其中一些表现为早熟发芽，其后代种子皱缩，胚乳异常，胚显著大于WT，因此将该突变体命名为endospermless2-1（enl2-1）。多数突变体种子能够萌发，但初始生长缓慢，初生根长变短，根尖分生组织因细胞数量的减少而较小（图1）。经图位克隆发现，enl2-1表型的改变是由Os01g43020第三个外显子中A到T的单核苷酸突变所导致。该位点编码一种与CTP合酶高度同源的蛋白，并包含保守的CTP合酶结构域，故将Os01g43020命名为Oryza sativa CTP synthase 1（OsCTPS1）。表达模式分析显示，OsCTPS1在处于分裂期细胞中表达较高。

图1. enl2-1表型分析

2.突变体种子的合胞胚乳存在缺陷

水稻早期胚乳发育分为1–2DAP（授粉1-2天后）的合胞期和3DAP的细胞化期。为检测突变体出现缺陷潜在原因，对早期发育阶段的种子进行观察发现，WT种子胚乳核在1DAP开始分裂，2DAP分裂加快并出现分离，这将胚乳核的分布引导至胚乳细胞的外周。在3DAP合胞胚乳进入细胞化阶段。而enl2-2突变体种子在1DAP就已形成块状胚乳核，核的数量在2DAP稍有增加，但这些核不被分离，也不能迁至外围。在3DAP多数突变体胚乳核出现退化。利用共聚焦显微观察发现，WT和突变体胚乳在授粉后8小时（HAP）均表现正常。在24HAP时，WT胚乳核显著增加，且一些核迁移到胚乳外周。与此相反，enl2-2胚乳仍包含约10-16个核，并形成一个无法迁移的聚集结构。这表明enl2-2胚乳核在停止前分裂了三到四次。

3.OsCTPS1蛋白与微管蛋白结合

由上述表型推测，OsCTPS1可能参与径向维管系统（RMS）的形成，它对于核的分布是必需的。通过抗体及核染色观察发现，1DAP的WT胚乳核在RMS作用下间隔分布，而enl2-2胚乳核被紧密包裹，可能是由于相关RMS的减少所致，表明OsCTPS1可能参与胚乳发育期间的微管组织。免疫沉淀及验证结果显示，OsCTPS1与α和β微管蛋白结合（图2）。此外，过表达荧光观察结果表明，当enl2显示出胚乳缺陷表型时，OsCTPS1蛋白在胚乳发育早期阶段短暂性形成了大分子结构。

图2. OsCTPS1与维管蛋白结合

4.OsCTPS1过表达提高了籽粒产量

为检测OsCTPS1表达量的增加是否促进胚乳发育，利用玉米ubiquitin启动子驱动OsCTPS1过表达，结果发现，OsCTPS1过表达植株的籽粒大小、粒长/宽/厚以及千粒重显著大于WT。在60HAP，过表达植株籽粒中形成了更多的胚乳细胞（图3）。这些结果表明OsCTPS1表达量的增加可促进胚乳中的核分裂，从而增加籽粒大小。

图3. OsCTPS1过表达株系的鉴定

小结

OsCTPS1突变导致胚乳核产生异常中止，无法进行分离并迁移到胚乳外周，这些缺陷表明OsCTPS1参与微管形成，而OsCTPS1与维管蛋白的结合进一步证实了这一假设。早期发育阶段，OsCTPS1在胚乳中暂时性形成大分子结构，进一步支持 OsCTPS1可能在胚乳发育期间作为结构性组分发挥功能。此外，OsCTPS1过表达通过促进胚乳核分裂增加了种子重量，表明该特性可用于增加谷物产量。