纤维素是细胞壁的主要成分，其含量与结构影响茎秆机械强度等农艺性状。纤维素的合成与组装过程复杂，受多种激素和环境因子等严格调控。赤霉素是上世纪中期“绿色革命”的关键激素，在降低株高、增强作物抗倒性方面发挥了重要作用。但对于该激素是否调控纤维素合成及相关分子机制仍知之甚少。

 

        中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组生物学研究中心/植物基因组学国家重点实验室周奕华研究组长期从事细胞壁生物合成机制研究。为明确赤霉素对纤维素合成的调控作用，周奕华研究组通过对水稻赤霉素相关突变体的细胞壁成分测定和基因表达分析，发现赤霉素合成缺陷导致茎秆机械组织厚壁细胞的细胞壁变薄，纤维素含量下降；而赤霉素信号转导抑制子突变和外施赤霉素均能上调纤维素合酶基因的表达，并增加纤维素含量，表明赤霉素可促进纤维素合成。分子生物学实验显示，赤霉素信号转导抑制子SLENDER RICE1（SLR1）与次生壁合成相关的顶层转录因子NAC29/NAC31直接相互作用，抑制其对下游转录因子MYB61的直接转录激活作用，进而影响MYB61对下游纤维素合酶基因的转录，调控纤维素合成。对发育中的水稻节间分段进行赤霉素含量测定和基因表达分析，显示该信号通路受内源赤霉素调控，并影响茎秆生长发育。遗传学和生物化学实验证实该类型的信号通路具有保守性，在拟南芥等双子叶植物中均存在。

 

        该项研究成果发现了赤霉素通过介导SLR1与NAC类转录因子直接相互作用调控纤维素合酶基因转录的信号通路，揭示了赤霉素调控纤维素合成的完整信号通路及在茎秆发育中的重要作用。对深入理解“绿色革命”基因具有重要意义，并有望为提高作物产量和抗倒伏提供理论依据和基因资源。该研究结果于2015年5月22日在The Plant Cell上在线发表(http://www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.15.00015)。周奕华研究组的博士生黄德宝和王少干为该论文的共同第一作者。该研究得到科技部和国家自然科学基金委的资助。

 

 

 

图1 赤霉素调控水稻次生壁纤维素合成的信号通路