近日，云南大学多年生稻团队黄立钰课题组联合中国农科院作科所和河南农科院在国际知名期刊Science Bulletin（IF18.9）上合作发表了题为“Alternative splicing drives the functional diversification of a bHLH transcription factor in the control of growth and drought resistance in rice”的研究论文。该文章报道了OsbHLH59通过可变剪切产生不同转录本来调控水稻生长发育和抗旱性平衡的分子机制。

植物的固着属性推动了它们的适应性进化，使其能够更精密地调节基因表达，并在环境胁迫下表现出生理和发育的可塑性。植物生长发育与抗性之间的遗传权衡机制，一直是当今生命科学研究的热点。水稻是全球一半以上人口的主要食物来源，也是已知用水量最大的作物之一，而随着全球气候的不断变化，平衡日益增长的粮食需求和水资源短缺的挑战变得更加紧迫。因此，深入研究水稻抗旱存活和抗旱生产之间的权衡和协同调控机制，将为节水抗旱稻培育提供理论基础。

选择性剪接（Alternative splicing, AS），又称可变剪切，大大促进了转录本和蛋白质结构与功能的多态性，是一种重要的转录调控机制，广泛参与植物发育过程和胁迫应答反应。转录因子家族（如bHLH）可以通过基因（组）复制等实现成员扩张来增加遗传多样性从而调控植物生长发育和环境适应性，而AS在驱动水稻转录因子功能多样化来平衡水稻生长发育（产量）和抗旱性方面知之甚少。

该研究发现OsbHLH59通过AS产生两种转录本来平衡水稻生长发育和干旱胁迫应答，并进一步对不同转录本的功能及分子调控机制进行了研究。OsbHLH59通过AS可以产生分别编码236和167个氨基酸残基的OsbHLH59.1和OsbHLH59.2转录本。生物信息学和生化特征分析表明，OsbHLH59.1和OsbHLH59.2蛋白均为典型bHLH转录因子，具有核定位和G-box/E-box顺式元件结合能力，可形成具有转录激活活性的同源二聚体。表达模式分析显示，OsbHLH59.1在所有组织均高表达，并迅速响应旱胁迫；而OsbHLH59.2正常条件下表达极低，随旱胁迫的加剧持续诱导表达。OsbHLH59.2/OsbHLH59.1丰度比表现出ABA依赖的旱胁迫诱导上升的规律。

为深入了解OsbHLH59.1和OsbHLH59.2的功能，研究人员利用基因敲除和过表达遗传分析证明，OsbHLH59.1在调控植物生长发育和籽粒产量中发挥重要作用；OsbHLH59.1和OsbHLH59.2均对抗旱性有正向调节作用，且OsbHLH59.2介导的抗旱性强于OsbHLH59.1，且该过程不完全依赖于其介导的铁吸收和转运功能（图1）。

图1 OsbHLH59.1和OsbHLH59.2调控水稻生长发育和抗旱性

利用糖皮质激素受体（GR）依赖的诱导表达系统联合转录组分析，鉴定了多个OsbHLH59.1和OsbHLH59.2的靶基因并初步解析了它们介导的下游调控通路。结合上述表达模式，进一步提出了OsbHLH59在不同环境条件下通过AS产生不同的亚型，分别和协同作用以平衡植株生长和抗旱性的分子调控模型（图2）。在正常条件下，OsbHLH59.1作为OsbHLH59的主要产物，通过激活靶基因（如发育相关基因TUD1、OsCYP51G3、CYP94C2b、cdc2o-2和OsNCED3）表达，促进水稻植株的生长发育，并可能介导轻度旱胁迫下的避旱反应；随着旱胁迫的加剧，OsbHLH59发生ABA依赖的AS产生OsbHLH59.2，OsbHLH59.2与OsbHLH59.1互作形成异源二聚体，抑制发育相关基因表达从而抑制植株生长，进一步激活下游靶基因（OsNCED4、OsMSR15、OsDREB1F和SNAC1）的表达，增强水稻的抗旱性。

图2 水稻OsbHLH59平衡植株生长与抗旱性的作用模型

此外，研究人员对OsbHLH59进行了群体遗传分析，结果表明OsbHLH59可能对籼稻和粳稻的分化做出了贡献，且OsbHLH59在水稻驯化和育种过程中经历了亚种特异性的正向选择；而OsbHLH59发生旱诱导的AS普遍存在于各个亚群中，并未受到环境的选择。该研究结果体现了转录后调控在驱动新功能化中的重要作用，为水稻分子育种工作提供了有价值的基因资源。

云南大学博士研究生宁敏、李沁妍和河南省农业科学院粮食作物研究所王亚副研究员为论文共同第一作者，云南大学黄立钰教授、胡凤益教授和中国农业科学院作物科学研究所张帆研究员为论文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、云南省科学技术厅、河南省农业科学院杰出青年科技基金和中国农业科学院科技创新工程等项目资助。

来源：资源植物研究院

编辑：李哲 责任编辑：王崴