Reis ist für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung ein Grundnahrungsmittel und die kontinuierliche Steigerung seines Ertrags ist für die Gewährleistung der Welternährungssicherheit von entscheidender Bedeutung. Daher bleibt die Erzielung einer nachhaltigen Steigerung der Reisproduktion eine große wissenschaftliche Herausforderung im Bereich der Reisforschung.
Physiologisch wird der Reisertrag gemeinsam durch die Photosynthesekapazität (Quelle) und die Korngröße/-zahl (Senke) bestimmt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich jedoch hauptsächlich auf entweder Quelle oder Senke, wobei sich relativ wenige Studien mit der Synergie zwischen beiden befassen.
Prof. Shaoqing Li (Staatliches Schlüssellabor für Hybridreis, Universität Wuhan) leitete ein Team, das durch Strahlenmutagenese einen großkörnigen, hochwüchsigen Mutanten erhielt. Anschließend klonten sie mithilfe der Positionsklonierung ein Gen, das gleichzeitig die Effizienz der Photosynthese, die Korngröße, die Biomasse und den Ertrag reguliert, und nannten es HPY1 (hohe Photosyntheserate und Ertrag 1). HPY1 ist ein Transkriptionsfaktor, der von einem Transposon abgeleitet ist und ohne Mutationen in allen Reiskeimplasmaressourcen hochkonserviert ist.
Eine SNP-Variation in der kodierenden Region dieses Gens führt zu einer Veränderung einer Aminosäure des C-Terminus der HTH-Domäne (Helix-Turn-Helix), was zu einer Veränderung der Proteinstruktur und dadurch zu einer Erhöhung seiner DNA-Bindungskapazität führt. Dies führt letztendlich zu einem Anstieg der nachgeschalteten Genexpression, was zu einem Phänotyp mit hoher Photosyntheseeffizienz, großen Körnern, hoher Biomasse und hohem Ertrag führt.
Weitere Analysen ergaben, dass HPY1 den Reisertrag steigert, indem es sowohl die Quelle als auch die Senke synergetisch verbessert. Die HPY1-Mutation erhöht die Transkriptionsebene durch Feedback-Regulation. Dann bindet HPY1 direkt an quellenbezogene Gene (RbcS2, RbcS3 und RbcS4, die für kleine Rubisco-Untereinheiten kodieren), um deren Transkription zu verbessern, wodurch der Rubisco-Gehalt und die Rubisco-Aktivität erhöht werden, wodurch die Photosyntheseraten und die Biomasse erhöht werden.
Gleichzeitig bindet es direkt an sinkbezogene Gene (CCP1 und FLO2, Gene, die die Korngröße regulieren) und reguliert deren Transkription hoch, was zu einer größeren Korngröße führt. Letztlich wird durch die gleichzeitige Verbesserung von Quelle und Senke der Reisertrag gesteigert.
Zusammenfassend identifizierte diese Studie ein ertragreiches Gen, HPY1, das Quelle und Senke koordiniert, um den Reisertrag zu steigern. Diese Entdeckung trägt nicht nur zu einem tieferen molekularen Verständnis der Quelle-Senke-Koordination in Reis bei, sondern bietet auch eine wirksame Strategie zur Verbesserung der Reiserträge.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftsbulletin.
Mehr Informationen:
Fengfeng Fan et al.: Das Gain-of-Function-Allel von HPY1 koordiniert Quelle und Senke, um den Getreideertrag in Reis zu steigern. Wissenschaftsbulletin (2023). DOI: 10.1016/j.scib.2023.08.033