近日，華南農業(yè)大學農學院/嶺南現(xiàn)代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室作物資源高效團隊在Molecular Plant在線發(fā)表了題為“Two awn development-related peptides, GAD1 and OsEPFL2, promote seed dispersal and germination in rice”的研究論文（鏈接: https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.12.011）。文章探討水稻芒和種子萌發(fā)間的關系，揭示了兩個EPIDERMAL PATTERNING FACTOR/EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE家族小肽在調控芒發(fā)育與影響水稻種子萌發(fā)中的雙重功能。
生存和繁衍是一切生物的本能追求。自然界中，種子傳播和萌發(fā)對植物生存和繁衍至關重要。植物進化出了一系列精妙的機制來促進種子傳播和萌發(fā)，其中很多與種子特性有關，如種子頂端芒的發(fā)育、落粒性和種子休眠等。一旦種子成熟，便會從母體脫落，在芒和其他種子附屬物幫助下向更遠的地方傳播，并在合適環(huán)境下萌發(fā)。前人研究表明，小麥芒通過響應外界濕度變化將種子推入潮濕的土壤，促進種子萌發(fā)；一些禾本科牧草芒長與種子萌發(fā)也有顯著相關性。然而，水稻芒對種子的萌發(fā)及與種子萌發(fā)效率是否存在關聯(lián)至今仍未有報道。
金晶博士在前期研究中鑒定了兩個與水稻芒發(fā)育相關基因，GAD1/OsEPFL1和OsEPFL2，它們編碼屬于EPIDERMAL PATTERNING FACTOR/EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE家族的小肽。將水稻品種Kasalath（具有野生型OsEPFL2基因，具有長芒）與相同背景下的基因編輯突變體OsEPFL2cas（具功能缺失OsEPFL2等位基因，短芒或無芒）、W9311（具功能缺失GAD1等位基因，無芒）和OIL31（W9311與野生稻的滲入系，具野生型GAD1基因，具長芒）四個材料進行萌發(fā)實驗，對GAD1和OsEPFL2基因表達進行分析，并檢測種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量和α-淀粉酶活性，結果表明，GAD1和OsEPFL2不僅調控芒的發(fā)育，還參與調控種子萌發(fā)（圖1）。
圖1 GAD1和OsEPFL2參與調控種子萌發(fā)
脫落酸（ABA）是調控種子萌發(fā)的重要激素。為了探究OsEPFL2和GAD1是否通過ABA信號途徑調控種子萌發(fā)，用不同濃度的ABA處理水稻材料，結果表明，OsEPFL2和GAD1能在一定程度上緩解ABA對種子萌發(fā)和萌發(fā)后生長的抑制作用。進一步檢測不同萌發(fā)時期種子ABA含量發(fā)現(xiàn)，隨著種子吸漲萌發(fā)，ABA含量均有所下降，且無芒材料OsEPFL2cas和W9311均顯著高于其相應對照Kasalath和OIL31。對ABA合成和信號基因表達分析發(fā)現(xiàn)，GAD1和OsEPFL2通過ABA合成和/或信號途徑調控種子萌發(fā)（圖2）。
圖2 GAD1和OsEPFL2可能通過ABA合成和/或信號途徑調控種子萌發(fā)
為了進一步探究水稻芒的物理結構是否影響種子萌發(fā)。對水稻芒進行人工去除，比較發(fā)現(xiàn)人工去除芒后Kasalath和OIL31種子與帶芒種子在萌發(fā)率上并沒有顯著差異。那么芒的存在是否會通過影響種子進入土壤角度，進而影響種子的萌發(fā)呢？研究測量了種子從1米高度自由落入0.3%瓊脂培養(yǎng)基中的自植率，結果表明，芒的長度在很大程度上會影響種子入土角度。進一步將水稻種子以不同角度播種到土壤中，發(fā)現(xiàn)水平播種（0°角度入土）的種子比其他角度入土種子萌發(fā)需要更長時間。表明芒的物理結構不直接作用于種子萌發(fā)，而是通過影響種子進入土壤角度進而影響種子萌發(fā)。因此，OsEPFL2和GAD1除了調節(jié)ABA信號促進種子萌發(fā)外，還正向調控芒的發(fā)育，進而協(xié)助種子進入土壤，間接提高種子在自然環(huán)境中的萌發(fā)效率（圖3）。基于這些結果，研究認為在水稻利用EPFL信號來同時調控種子的傳播和萌發(fā)，這是一種高效的策略。
圖3 水稻芒與種子萌發(fā)之間的關系
這項研究表明，水稻小肽GAD1和OsEPFL2不僅能促進芒的發(fā)育，還能在種子萌發(fā)過程中降低種子ABA含量，提高α淀粉酶活性和釋放可溶性糖。有意思的是，水稻芒還可以在種子傳播過程中影響種子進入土壤角度，促進種子萌發(fā)，進而提高植物存活率。本研究闡明了EPF/EPFL家族小肽在水稻種子傳播和萌發(fā)中的雙重功能，加深了我們對芒在自然條件下促進植物生存繁衍的理解。
華南農業(yè)大學農學院/嶺南現(xiàn)代農業(yè)科學與技術廣東省實驗室青年教師金晶博士和在讀碩士生熊露玲為論文共同第一作者，金晶博士和儲成才教授為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金和廣東省自然科學基金的資助。
文圖/農學院
