水稻OsCTPS1在早期胚乳發育過程中發揮的重要作用

　　2021年5月31日，Plant Biotechnology Journal在線發表了韓國慶熙大學Gynheung An（安鎮興）教授所帶領團隊完成的題為“CTP synthase is essential for early endosperm development by regulating nuclei spacing”的研究成果。該研究發現水稻三磷酸胞苷合酶OsCTPS1通過調控胚乳核間距，從而在早期胚乳發育過程中發揮至關重要的作用。

　　研究背景

　　胚乳是谷粒的主要組成部分，它儲存著淀粉、蛋白質和種子早期萌發所需的其他營養物質。胚乳發育的最明顯特征之一是受精的中央細胞（又稱受精極核）在發育早期（合胞體階段）進行快速核分裂，而不形成細胞壁，從而導致多核細胞的產生，這一過程在決定種子大小方面起重要作用。盡管一些與谷物胚乳儲存相關的基因已被研究，但在水稻中僅鑒定發現了少數影響早期胚乳發育的基因。

　　主要結果

　　1.enl2-1突變體表型鑒定與圖位克隆

　　本研究對種子發育缺陷的粳稻品種個體進行鑒定發現，有1/4的種子發育異常，其中一些表現為早熟發芽，其后代種子皺縮，胚乳異常，胚顯著大于WT，因此將該突變體命名為endospermless2-1（enl2-1）。多數突變體種子能夠萌發，但初始生長緩慢，初生根長變短，根尖分生組織因細胞數量的減少而較小（圖1）。經圖位克隆發現，enl2-1表型的改變是由Os01g43020第三個外顯子中A到T的單核苷酸突變所導致。該位點編碼一種與CTP合酶高度同源的蛋白，并包含保守的CTP合酶結構域，故將Os01g43020命名為Oryza sativa CTP synthase 1（OsCTPS1）。表達模式分析顯示，OsCTPS1在處于分裂期細胞中表達較高。

　　圖1. enl2-1表型分析

　　2.突變體種子的合胞胚乳存在缺陷

　　水稻早期胚乳發育分為1–2DAP（授粉1-2天后）的合胞期和3DAP的細胞化期。為檢測突變體出現缺陷潛在原因，對早期發育階段的種子進行觀察發現，WT種子胚乳核在1DAP開始分裂，2DAP分裂加快并出現分離，這將胚乳核的分布引導至胚乳細胞的外周。在3DAP合胞胚乳進入細胞化階段。而enl2-2突變體種子在1DAP就已形成塊狀胚乳核，核的數量在2DAP稍有增加，但這些核不被分離，也不能遷至外圍。在3DAP多數突變體胚乳核出現退化。利用共聚焦顯微觀察發現，WT和突變體胚乳在授粉后8小時（HAP）均表現正常。在24HAP時，WT胚乳核顯著增加，且一些核遷移到胚乳外周。與此相反，enl2-2胚乳仍包含約10-16個核，并形成一個無法遷移的聚集結構。這表明enl2-2胚乳核在停止前分裂了三到四次。

　　3.OsCTPS1蛋白與微管蛋白結合

　　由上述表型推測，OsCTPS1可能參與徑向維管系統（RMS）的形成，它對于核的分布是必需的。通過抗體及核染色觀察發現，1DAP的WT胚乳核在RMS作用下間隔分布，而enl2-2胚乳核被緊密包裹，可能是由于相關RMS的減少所致，表明OsCTPS1可能參與胚乳發育期間的微管組織。免疫沉淀及驗證結果顯示，OsCTPS1與α和β微管蛋白結合（圖2）。此外，過表達熒光觀察結果表明，當enl2顯示出胚乳缺陷表型時，OsCTPS1蛋白在胚乳發育早期階段短暫性形成了大分子結構。

　　圖2. OsCTPS1與維管蛋白結合

　　4.OsCTPS1過表達提高了籽粒產量

　　為檢測OsCTPS1表達量的增加是否促進胚乳發育，利用玉米ubiquitin啟動子驅動OsCTPS1過表達，結果發現，OsCTPS1過表達植株的籽粒大小、粒長/寬/厚以及千粒重顯著大于WT。在60HAP，過表達植株籽粒中形成了更多的胚乳細胞（圖3）。這些結果表明OsCTPS1表達量的增加可促進胚乳中的核分裂，從而增加籽粒大小。

　　圖3. OsCTPS1過表達株系的鑒定

　　小結

　　OsCTPS1突變導致胚乳核產生異常中止，無法進行分離并遷移到胚乳外周，這些缺陷表明OsCTPS1參與微管形成，而OsCTPS1與維管蛋白的結合進一步證實了這一假設。早期發育階段，OsCTPS1在胚乳中暫時性形成大分子結構，進一步支持 OsCTPS1可能在胚乳發育期間作為結構性組分發揮功能。此外，OsCTPS1過表達通過促進胚乳核分裂增加了種子重量，表明該特性可用于增加谷物產量。