北京时间2025年1月30日凌晨，中心林尤舜研究课题组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究团队合作在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上发表题为 “Fine-tuning gibberellin improves rice alkali-thermal tolerance and yield”的研究论文。该成果创新性地提出了一个新概念，即精准调控赤霉素到最佳中等水平是同时提高水稻碱-热胁迫耐受性和产量的关键；并发现一个有望成为潜在的“后绿色革命”基因ATT2，它可以微调赤霉素到最佳中等水平，从而进一步同时提高半矮秆绿色革命水稻品种的碱-热耐受性和产量。这些新发现为应对全球气候变化引发的粮食安全问题提供了新的策略，对于盐碱地的开发利用和未来农业的可持续发展具有重要的意义。

　　追溯到20世纪60年代，通过绿色革命基因(Sd1—Semi-dwarf1、Rht1— Reduced height-1)对谷类作物赤霉素浓度或信号的调控，从而实现水稻和小麦的半矮化育种，增强抗倒伏性。在大量施用化肥的条件下，大幅提高谷物产量，引发了农业“绿色革命”。半矮秆绿色革命品种在过去几十年里在全球广泛种植，在一定程度上确保了粮食安全，然而他们的环境适应性相对较低。由于温室气体排放，导致全球气候变暖、加剧耕地盐碱化，降低了作物的产量。因此，迫切需要挖掘作物中耐盐碱、耐热基因，解析其分子机制，在现有的半矮秆绿色革命作物品种中进一步改良它们的抗逆性和产量，以满足未来人口不断增长对粮食更大的需求，这对于保障我国粮食安全具有重要的意义。现在，研究团队成功分离克隆了水稻碱-热抗性新基因ATT1/2 (ALKALI-THEROMAL TOLERANCE 1/2)，阐明了它们调控耐盐碱、耐热性的新机制，并且为突破半矮秆绿色革命主栽品种的抗逆性与产量互相拮抗的瓶颈问题提出了新的解决方案。这也是该合作研究团队继成功挖掘出耐热TT3分子遗传模块（Science，2022年）之后，在作物抵抗非生物胁迫研究领域取得的又一项重大进展。

　　该研究通过对3万多株水稻遗传材料进行大规模交换个体筛选和耐碱、耐热表型鉴定，最终定位克隆到两个耐碱-热的QTLs基因ATT1和ATT2。ATT1/Sd1和ATT2/GNP1作为一对同源基因，编码GA20氧化酶，参与控制活性赤霉素合成；进一步的分子机理研究表明，高浓度活性赤霉素会减少SLR1（DELLA）蛋白积累，降低过氧化物酶活性和活性氧清除酶基因表达量，在碱、热胁迫下，引起活性氧（ROS）的过量积累，使水稻表现出对碱-热胁迫敏感的表型；低浓度活性赤霉素会增加SLR1蛋白积累，并与NGR5互作，通过NGR5-LC2介导的组蛋白甲基化（H3K27me3），抑制耐盐碱胁迫（OsNAAT1等）和耐热胁迫基因（OsHsfA2d等）的表达，水稻同样也会表现出对碱-热胁迫敏感的表型。然而，在中等浓度活性赤霉素水平下，SLR1蛋白处于中等含量，平衡ROS与H3K27me3甲基化水平，使得水稻表现出强碱-热胁迫抗性。值得注意的是，研究团队发现ATT2的功能比ATT1弱，因此更适合通过生物工程的方法来实现对赤霉素的精准调控，进一步提高半矮秆绿色革命水稻品种的抗逆性和产量，因此ATT2有望成为一个潜在的“后绿色革命”基因。

图1. 精准调控赤霉素显著增加水稻正常条件、碱胁迫和高温胁迫下的水稻产量

　　在正常大田环境下，维持体内中等浓度活性赤霉素，相比于高浓度和低浓度活性赤霉素，水稻表现出较高的产量，小区产量分别增加29.8%、15.4%；在半矮秆绿色革命水稻品种中，提高ATT2的表达量，可以适量增加活性赤霉素含量，与对照品种相比，水稻表现出小区产量增加18.8%-20.3%。在碱性土壤种植条件下，在半矮秆绿色革命水稻品种中提高ATT2的表达量，会明显增加水稻在碱胁迫下的产量，与对照品种相比，小区产量增加77.9%-100.9%；由于碱胁迫抑制活性赤霉素合成，使高秆水稻材料的活性赤霉素含量由高浓度转变成中等浓度，也表现出增加小区产量；通过对在碱胁迫下的半矮秆绿色革命水稻品种体外施加适量的赤霉素，能够弥补碱胁迫带来的产量损失。在田间高温环境下，相比于高浓度和低浓度活性赤霉素的水稻株系，中等浓度活性赤霉素的水稻株系会表现出显著提高小区产量，分别增产84.7%、23.6%。

图2. 精确调控赤霉素水平同时提高籽粒产量和抗逆性的模型

　　综上所述，该研究发现了两个水稻耐碱-热QTLs基因——ATT1和ATT2，它们控制赤霉素（GA）合成，调控SLR1蛋白丰度来调节ROS和H3K27me3水平，以响应碱-热胁迫；该研究还发现通过精准调控水稻品种的活性赤霉素至中等水平，可以最大程度地减少环境胁迫对产量造成的损失。在此基础上提出了两种微调赤霉素到中等水平的方法：1) 通过对可能的“后绿色革命”基因ATT2的遗传工程改良来提高ATT2的表达量或增强ATT2的功能；2) 外源施加适量的植物生长调节剂（赤霉素 “920”）。这些方法有望在水稻、小麦、玉米等主粮作物的育种改良中发挥重要作用，不仅能提高作物的抗逆性，维持其在盐碱、高温等不利环境下的产量稳定，还可以在正常田间条件下进一步提高谷物产量。这些研究结果为育种家培育“高产高抗”作物新品种提供重要的理论依据，同时也为大面积盐碱地的开发利用提供新的策略。

图3. 在上海松江农场，pH值达9的高碱性土壤中种植的水稻生长情况，含中等浓度活性赤霉素的水稻株系其耐碱性较强（右边）

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心已毕业博士研究生郭双琴（上海交通大学博士后）和博士研究生陈亚鑫为本文第一作者，林鸿宣研究员和上海交通大学林尤舜副教授为本文通讯作者。该中心的单军祥正高级工程师、叶汪薇高级实验师和董乃乾副研究员等参与了该项研究工作。该工作得到了农业生物育种国家科技重大专项、国家基金委基础科学中心项目、国家重点研发项目、上海交通大学“2030”项目、上海市现代种业协同创新中心、岭南现代农业广东省实验室等的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08486-7

 　　番茄是一种重要的设施蔬菜，设施番茄生产中的弱光问题影响番茄的产量和果实品质。研究表明紫外光UV-B信号通路能够有效的抑制番茄的弱光徒长问题，改善番茄果实代谢，增强番茄果实着色。然而紫外光UV-B信号转导调控番茄发育和代谢的机理有待深入研究。近日，中心尹若贺课题组与合作者在The Plant Journal杂志发表了题为SlSPA3 regulates the nuclear abundance of SlUVR8 in tomato的研究论文，揭示了番茄SPA3蛋白在响应紫外光UV-B信号调控番茄光形态建成中的作用机理。

　　紫外光UV-B (280-315nm) 可以诱导紫外光受体UVR8由二体解离成单体并转运到细胞核中， UVR8在细胞核中积累，调控下游基因表达，从而调控植物的生长以及代谢物积累等生理表型。之前的研究报道显示拟南芥中SPA家族成员可能调节拟南芥的UV-B信号传导，然而，其潜在机制尚不完全清楚。本研究发现了番茄基因组中包含四个潜在的SlSPA基因 (SlSPA1/2/3/4)。基因组编辑的Slspa3突变体在白光下表现出增强的光形态形成反应，表明SlSPA3是光形态建成的负调控因子（图1）。

图1. 白光下，Slspa3 突变体较野生型番茄有更强的光形态建成表型. (A) Hypocotyl length of tomato seedings of Slspa3 mutant lines grown in white light for 4 days. Values are means ± SD (n ≥ 9). (B) Anthocyanin levels in Slspa3 mutants. Seedlings were grown in white light for 2 days or 4 days. Values are means ± SD from three biological replicates (n = 3). Different letters in Figure A and B indicate significant differences between means; Significant differences were determined by one-way ANOVA with Tukey's HSD test (P < 0.05).

　　除此之外，在Slspa3突变体中，UVR8介导的UV-B应答基因表达以及花青素含量较野生型明显下降，表明SlSPA3促进UV-B光形态建成。此外， 由于SlSPA3和SlCOP1直接互作，且拟南芥的COP1调控UVR8的核积累，本研究探测了SlSPA3是否调控SlUVR8的核积累，实验结果表明在番茄Slspa3单突变体内UV-B诱导下的SlUVR8在细胞核内积累水平较野生型减少，表明SlSPA3通过增强光受体SlUVR8在细胞核内积累，促进紫外光UV-B的光信号转导（图2）。在拟南芥spa1 spa2 spa4三突变体中，UVR8的核积累也明显减少，表明这两个物种之间存在着保守机制。但是，spa1 spa2 spa4三突变体中UV-B依赖的UVR8与COP1之间的相互作用却未发生变化，这表明已知的COP1介导的UVR8的核滞留机制并未被SPAs影响。因此，我们的工作揭示了一种潜在的未被认识的机制，即SPA蛋白通过促进陆地植物UVR8核积累来调节UVB的响应机理。

Figure 2. SPA 提高UV-B-介导的光受体UVR8蛋白在细胞核内积累. (A) UV-B-induced SlUVR8 nuclear accumulation is reduced in tomato Slspa3. 7-DAG white light grown tomato seedlings were either maintained under white light (-) or transferred to white light supplemented with UV-B for 24 h (+). Histone H3 and UGPase served as nuclear and cytosolic controls, respectively. (B) Relative quantification of nuclear and cytosolic SlUVR8 levels. The band intensity of nuclear and cytosolic SlUVR8 was normalized against that of H3 and UGPase, respectively. Both nuclear and cytosolic SlUVR8 levels in WT grown under UV-B were set to 1. Quantification of band intensity was based on three independent experiments. (C) Working model for tomato SPA3 and also Arabidopsis SPA proteins in the regulation of UVR8 nuclear abundance.

　　上海交通大学已毕业博士生研究生张倩雯，在读博士生刘月为论文的共同第一作者，尹若贺副教授为论文通讯作者。上海交通大学林丽副研究员和张春丽助理研究员，以及北京大学朱丹萌研究员，希伯来大学 David Weiss教授和 布宜诺斯艾利斯大学的 Carlos L. Ballare教授等参与了本研究工作。本研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/tpj.17135

　　生长素在植物器官发生和形态发生中起着关键作用。作为重要的调节因子，生长素分布在整个植物体内，但在空间上以不同的方式协调植物的生长。植物通过生长素响应因子（Auxin Response Factor, ARF）调节生长素驱动的转录反应。

　　近日，中心刘路课题组在Developmental Cell杂志在线发表了题为MCTP controls nucleocytoplasmic partitioning of AUXIN RESPONSE FACTORs during lateral root development的研究论文。该论文明确了MCTP蛋白调控的生长素信号转导新机制。

　　植物激素生长素精准调控植物生长和发育的几乎所有方面。生长素响应因子ARF控制生长素响应基因的转录，它可以在细胞质中以凝聚物状态存在，亦可以以单体形式存在于细胞核。ARF蛋白的核质分布可以调节生长素敏感性并使植物对生长素的响应调节多样化。然而，ARF蛋白的核质分布的动态控制在很大程度上仍然不清楚。

　　本研究表明具有C2结构域和跨膜区域的MCTP家族可以调控生长素响应因子ARF蛋白的核质分配，进而决定侧根发育。MCTP蛋白在侧根中高度表达，并与ARF7/19蛋白在细胞质特异性相互作用，进而使ARF7/19蛋白的胞质凝聚物解聚。这促进了ARF7/19蛋白在侧根原基中的核定位与侧根发育。本研究表明MCTP是调节生长素响应的关键开关，并证明了MCTP-ARF信号模块对于植物根系的建立至关重要。

　　上海交通大学农业与生物学院助理研究员玄立杰为该论文第一作者，刘路副教授为唯一通讯作者。新加坡国立大学俞皓院士、上海交通大学薛红卫教授与龚清秋副教授对该论文进行了指导。本研究得到了上海市现代种业协同创新中心、国家自然科学基金、上海市农业科技服务中心科技兴农项目及上海交通大学启动经费项目的资助。

论文链接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(24)00573-2

　　针对剧烈变异的病原微生物，如何利用基因编辑实现可设计的抗病育种？近日，中心陆钰明教授课题组在国际权威期刊Cell Discovery在线发表了题为“Programmable broad-spectrum resistance to bacterial blight using targeted insertion in rice”的研究论文。该研究将第三代测序技术和基因组靶向敲入技术相结合，在水稻上建立了一种可编程的抗病育种方法。

　　Xoo向水稻细胞注射转录激活效应蛋白TALEs (transcription activator-like effectors)识别易感基因启动子的EBE（effector binding elements）启动基因转录促进其侵染。团队前期把1-4个EBE分别敲入到水稻executor (E) 基因启动子中，发现侵染后植株的E基因被成功激活并对Xoo产生了高度抗性，多个EBE串联则表现出更为广谱的抗性。利用收集自中国和东亚其他地区的41株菌株进行测试，发现这种多EBE串联的策略尚不能对大范围收集的菌株产生广谱抗性。随后团队对已完成全基因组测序的Xoo菌株进行了分析，发现来自相同地域的菌株倾向于编码相似的TALE蛋白，例如非洲的菌株多数编码TalC和TalF。因此，团队提出了能否开发一种快速鉴定某一地域菌株TALE类型并针对保守TALE设计广谱抗性品种的设想。

　　随后以实验室保存的41株菌株为群体展开进一步研究。TALE基因的RVD序列由11-25组相似度极高的序列串联形成，传统高通量测序获得的短片段Reads难以进行RVD序列的正确组装。团队通过大量测试，率先采用了基于Pacbio平台的HiFi测序技术，通过对长片段Reads的优化组装，在初步获得的基因组草图中成功鉴定到了菌株完整的TALE基因。随后利用该项技术对收集自中国的30株Xoo进行了HiFi测序，成功鉴定到8个新的保守TALE。

　　基于保守TALE识别的EBE能否被菌株成功激活是设计抗性品种的关键，团队将基于生信分析获得的EBE序列构建在转录激活报告载体中，在水稻原生质体、叶片和愈伤组织中进行了大量测试，发现转化报告系统的愈伤组织在接菌后，报告系统被成功激活。随后对10个保守的EBE进行了群体菌株激活测试，筛选到了对41株菌株均有反应的EBE组合。将该EBE组合敲入的水稻后，植株对所有测试菌株均产生高度抗性，经过连续4代的观测，敲入株系抗性保持良好且农艺性状与对照无显著差异。这种基于病原菌基因组分析设计的抗病育种技术，有望彻底解决病原菌变异导致的免疫逃逸现象。为基因编辑育种解决农业生产重大问题提供了思路。

　　张学宁博士和宋明磊博士为本文共同第一作者，田益夫博士、上海交通大学陆钰明教授和南方科技大学朱健康院士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助。