Plant Journal | 华南农业大学谢先荣研究组解析水稻颖壳发育过程的动态转录调控网络

水稻作为全球最重要的粮食作物之一，其籽粒大小直接影响产量和外观品质。颖壳作为包裹胚和胚乳的外层结构，其发育过程通过调控细胞增殖和扩张决定籽粒的最终大小。虽然已有研究鉴定了多个调控粒型的通路和相关基因，如G蛋白信号通路、MAPK信号通路、植物激素通路以及多种转录调控因子，但对颖壳发育过程中基因表达的动态变化规律及其转录调控网络仍缺乏系统认识。

近日，华南农业大学谢先荣研究研究组在Plant Journal上发表了题为Time-course transcriptome and chromatin accessibility analyses reveal the dynamic transcriptional regulation shaping spikelet hull size的研究论文。该研究基于时序性的RNA-seq与ATAC-seq测序和分析，系统揭示了水稻颖壳发育早期的基因表达和染色质可及性的动态图谱，发现多个关键调控因子及其互作网络，为解析水稻籽粒发育背后的转录调控网络和籽粒大小的遗传改良提供了重要的资源和见解。

该研究结合RAN-seq和ATAC-seq技术，构建了籼稻品种明恢63（MH63）颖壳发育7个阶段（SL1~SL7）的动态转录调控图谱，发现在颖壳发育过程中约有一半的基因呈现时序性表达的规律，而染色质开放区的可及性变化相对较小，其中，仅有部分开放区的可及性波动和邻近基因的表达变化呈现较强的相关性。通过分析各转录因子家族的表达变化，作者发现生长调节因子（GRFs）成员均在颖壳发育早期高表达，并进一步通过基因编辑技术验证了部分成员对粒型的影响。基于Footprint分析，发现GRFs可能通过直接影响包括光合作用、植物激素信号转导、淀粉代谢等通路调控籽粒大小。此外，作者发现生长素和细胞分裂素可能通过下游的响应因子的转录协同，从而调节颖壳细胞的增殖和伸长。

图1 研究构建了水稻颖壳发育过程中的转录组和染色质可及性图谱

该研究进一步鉴定到一个GRAS家族成员SCL6-IIb是粒型的负向调控因子，在中花11中敲除SCL6-IIb，导致粒长增加。通过ATAC-seq的footprint分析联合酵母单杂交发现OsSPL18通过结合SCL6-IIb启动子区的"GTAC" motif直接激活其表达。对SCL6-IIb启动子的开放区域进行编辑，获得了多个粒长增加的编辑株系。

图2研究发现GRAS家族成员SCL6-IIb调控水稻籽粒大小

此外，为了便于本研究中建立的水稻颖壳发育过程的时序性RNA-seq和ATAC-seq数据利用，研究团队开发了一个该组学数据的交互式在线查询网站（访问地址：http://www.crispr-ge.com/rice/）。

华南农业大学农学院广东省高等学校未来作物精准育种基础研究卓越中心、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室谢先荣副研究员为通讯作者，第一作者为华南农业大学博士生陈绍通。团队的刘耀光院士和陈乐天教授对该研究给予了指导，华中农业大学李兴旺教授在ATAC-seq文库构建上提供了重要的帮助。该项目得到了国家自然科学基金和广东省基础与应用基础研究重大专项的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.70141