2022年2月12日，New Phytologist期刊線上發表印度國家植物基因組研究所Aashish Ranjan研究團隊題為“Spatial control of cell division by GA-OsGRF7/8 module in a leaf explains the leaf length variation between cultivated and wild rice”的研究論文。該研究揭示了水稻中GA-OsGRF7/8模組透過調控葉片分裂區大小最終決定葉片的長度，同時該模組在栽培稻和野生稻葉片長度變異中發揮了至關重要的作用。
https://doi.org/10.1111/nph.18029
植物的葉片是進行光合作用的主要場所和感知環境訊號的重要器官，葉片大小對於植物的環境適應性和產量都至關重要。葉片發育的基本過程主要包括葉原基的起始、葉片極性的建立、葉片的延伸等。儘管葉片的起始和形態建成受到一系列轉錄因子和激素的複雜調控，但最終葉片的大小是由細胞分裂和細胞伸長來協調控制的。雙子葉植物如擬南芥 (單葉) 和番茄 (複葉) 葉片大小的調控被廣泛研究，然而單子葉穀類作物中除玉米外，對其他作物葉片發育機理的研究目前還相對較少。
赤黴素(GA)是介導細胞伸長的一類主要的植物激素，最近擬南芥和玉米中的研究表明其在細胞分裂中也發揮著關鍵作用[1]。GA抑制DELLA蛋白表達並激活GA響應的轉錄因子，如GROWTH-REGULATING FACTORs (GRFs)。GRFs透過直接調控細胞週期進而控制細胞分裂。在擬南芥和玉米中的研究發現GRFs基因的表達影響葉片長度和器官大小[2]。但對於水稻葉片長度的調控機制目前還沒有系統的研究。在栽培稻的馴化過程中其遺傳多樣性顯著降低，因此，對栽培稻和野生稻葉片大小及相關細胞學差異的研究為全面解析水稻葉片大小的遺傳調控機制具有重要意義。
在該研究中，作者首先對12種水稻品種(包括6種亞洲栽培稻、1種非洲栽培稻和5種野生稻) 的葉片長度和寬度的變異進行比較，發現野生稻的葉片長度顯著高於栽培稻。隨後選擇了4個品種：葉片較小的秈稻IR64和粳稻Nip、葉片最長的野生稻O. australiensis和中間長度的非洲栽培稻O. glaberrima，對其葉片發育的細緻表型變化和遺傳特徵進行定量分析，結果表明在不同出苗期野生稻葉片的長度均顯著長於栽培稻 (圖1)。
圖1. 野生稻O. australiensis與栽培稻葉片長度的變化
為了鑑定影響水稻葉片長度的基因和調控途徑，作者透過轉錄組測序對這4個水稻品種進行分析。野生稻和Nip之間的差異表達基因 (DEGs) 數目最多，兩種栽培稻之間的DEGs最少。野生稻相比栽培稻分別有2384個基因上調和3870個基因下調錶達，上調基因且主要富集在細胞週期、發育過程和細胞生長等通路，下調基因腹肌在光合作用、訊號轉導等過程(圖2)。進一步對這4個水稻品種中的細胞週期基因如CYCLINB、CYCLINA和CDKD1以及調控葉片生長髮育的轉錄因子如GRFs、TCPs、YABBYs等的表達進行分析，發現野生稻中這些基因的表達水平明顯高於為非洲栽培稻和亞洲栽培稻。在GRFs轉錄因子中，OsGRF7和OsGRF8在野生稻葉片中的表達水平顯著高於栽培稻。基因共表達網路分析表明GA合成和訊號轉導基因與細胞週期基因及GRF7高度關聯。
圖2. 轉錄組分析揭示細胞週期和GA對不同水稻品種的葉片長度發揮關鍵作用
接下來，作者檢測了野生稻和栽培稻葉片中GA的含量，發現野生稻中GA4的含量顯著高於栽培稻，並且其含量與葉片的長度呈高度正相關性。利用外源GA處理發現其明顯促進栽培稻和野生稻的葉片長度，而GA抑制劑處理能夠抑制葉片的生長。隨後作者透過DAPI染色和葉片生長動力學分析對野生稻和栽培稻細胞分裂和生長區的差異進行研究，結果表明野生稻中較高的GA水平透過增加分裂區的大小從而促進葉片的長度。對特定區域GA合成和訊號轉導基因的表達進行分析，發現野生稻中GA合成基因表達較高而GA分解基因和GA訊號抑制子OsSLR1的表達降低，因此升高了GA水平。
作者進一步分析了OsGRF7和OsGRF8在這些材料葉片的分裂區和伸長區的表達，發現其與GA合成和訊號轉導基因的表達模式相似，野生稻中的表達水平明顯高於栽培稻(圖3)。此外細胞週期基因OsCYCB1;4 和OsCYCA3;2的表達在野生稻中也顯著升高。同時發現GA處理能夠明顯誘導分裂區和伸長區OsGRF7和OsGRF8的表達。
圖3. GA處理影響特異區域GRFs基因和細胞週期基因的表達模式
最後，作者在野生稻和栽培稻中對GA合成酶基因GA20OX2、GA訊號轉導抑制子SLR1、GRF7和GRF8透過瞬時沉默的方法分析了其對葉片長度的調控功能。在野生稻中沉默GA合成基因後，發現其葉片長度明顯變短，相應的其分裂區大小減小且OsGRF7/8和CYCLINs基因的表達明顯降低。沉默OsGRF7和OsGRF8後也具有類似的結果。
圖4. GA-OsGRF7/8模組透過調控分裂區大小控制水稻葉片長度的模型
綜上所述，該研究透過對野生稻和栽培稻葉片長度的變異進行轉錄組學分析，同時結合細胞生物學和分子生物學的研究方法，揭示了GA及其下游轉錄因子OsGRF7-OsGRF8透過調節細胞分裂區的大小決定了水稻葉片的長度。同時表明GA-OsGRF7 /OsGRF8模組控制細胞分裂區大小決定葉片長度的這一機制在水稻馴化過程中對於葉片大小的最佳化具有重要作用。
主要參考文獻：
[1] Nelissen H, Rymen B, Jikumaru Y, Demuynck K, Van Lijsebettens M, Kamiya Y, Inzé D, Beemster GTS. 2012. A local maximum in gibberellin levels regulates maize leaf growth by spatial control of cell division. Current Biology 22: 1183–1187
[2]Beltramino M, Ercoli M, Debernardi J, Goldy C, Rojas A, Nota F, Alvarez M, Vercruyssen L, Inzé D, Palatnik J, Rodriguez R. 2018. Robust increase of leaf size by Arabidopsis thaliana GRF3-like transcription factors under different growth conditions. Scientific Report 8: 13447
原文連結：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18029
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