育種技術的持續升級成為支撐作物性狀改良和突破產量瓶頸的核心。維管系統作為貫通植物各器官的“生命中樞”，在構建作物高產生理基礎方面發揮關鍵作用，其中木質部作為核心部分是作物綜合性狀改良的關鍵途徑。然而木質部性能優異（暢流）分子模塊極為匱乏，其形成機理，尤其是三維結構的塑形機制至今不明，木質部導管改良潛力遠未被充分利用。
近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所張保才和周奕華研究團隊首次揭示了水稻木質部導管紋孔的完整精細三維結構，功能鑒定了塑造紋孔三維結構的關鍵分子模塊，發現紋孔三維結構自然變異受MYB61-PS1分子模塊調控，并在維持木質部穩健性、促進氮素運輸與水稻高產中發揮關鍵作用。
研究發現，水稻核心種質中紋孔形貌的自然變異極為豐富，并通過全基因組關聯分析鑒定PS1編碼木聚糖乙酰酯酶，為控制紋孔大小的主效QTL基因，且不同單倍型存在功能差異。應用聚焦離子束掃描電鏡技術重構納米精度紋孔完整3D結構進行測量分析發現紋孔為曲率復雜的腔室結構，中間最細的開口尺寸與其木質部運輸性能相關，首次將其定義為決定導管運輸性能的關鍵結構，并且PS1Hap2所塑形的紋孔開口更小，運輸效率更高。研究發現紋孔處木聚糖為低乙酰化形式，而且PS1Hap2因氨基酸差異具更強的去乙酰化活性，生成更低乙酰化水平的木聚糖，進而促使紋孔邊緣纖維素納米纖絲排列更為緊實，形成開口較小的紋孔。進一步研究證實，攜帶PS1Hap2的水稻氮素運輸效率提高，并在高低氮下均可提高產量，表明PS1Hap2為優異單倍型。PS1存在明顯秈粳分化，在近70年育成的水稻品種中，優異PS1Hap2在秈型中應用比例越來越高，而在粳稻育種中卻極少被使用。將PS1Hap2導入粳稻武育粳3號和武密粳，均可提高其小區產量，表明PS1Hap2具有重要育種應用潛力。研究還意外發現，氮素通過PS1調控紋孔大小，并由氮利用效率QTL基因MYB61介導PS1的氮響應。聚合兩者優異等位可更加優化紋孔和蒸騰勢，進一步提高稻谷產量。
該研究功能鑒定了首個控制木質部導管紋孔尺寸的關鍵QTL基因PS1，系統揭示了PS1控制紋孔周邊木聚糖去乙酰化，決定纖維素與木聚糖交聯與納米纖絲排布，進而塑形紋孔、調控導管運輸能力與水稻產量的分子機理，并引發了對水分、其他養分等信號分子調控導管細胞結構可塑性的新思考。該研究還展現了從基因到多糖大分子、亞細胞超微結構、細胞、組織功能、作物等多尺度貫通的全鏈條新范式，可示范推動復雜性狀的精準設計定制理念的普及，實現育種技術創新，支撐農業可持續發展。
相關研究成果發表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到“農業生物育種”重大項目、國家自然科學基金、中國科學院基礎研究青年科學家項目等的支持。
論文鏈接
水稻木質部導管紋孔尺寸控制QTL基因PS1作用機制解析
重構的水稻導管紋孔完整精細結構及不同基因型間差異
水稻導管紋孔塑形及其氮響應調控木質部運輸效率與產量的作用模型
本文鏈接：研究揭示導管紋孔塑形促進水稻高產新途徑http://www.sq15.cn/show-12-1926-0.html
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