Исследовательская группа Института генетики и биологии развития Китайской академии наук (IGDB) недавно опубликовала исследование в журнале Cell, в котором впервые полностью раскрыла трехмерную ультраструктуру пор канала риса и идентифицировала ключевой регуляторный модуль MYB61-PS1, который точно контролирует трехмерную морфологию пор канала, тем самым влияя на эффективность транспортировки воды и способность транспортировки азота риса, что в конечном итоге значительно увеличивает урожайность зерна.

Поры протоков представляют собой крошечные отверстия в клеточной стенке сосудистых пучков растений, и их геометрия косвенно регулирует урожайность, влияя на транспорт воды растений и миграцию азота. Исследовательская группа использовала сканирующий электронный микроскоп для наблюдения за вариацией пор протока в зародышевой плазме ядра риса и обнаружила широкие различия в размерах пор. Посредством анализа ассоциации по всему геному они определили PS1 в качестве основного гена локуса количественных признаков (QTL), который контролирует размер пор. PS1 кодирует ксиландеацетилазу, механизм регуляции размера пор которой был проверен генетическими экспериментами.

Для углубленного анализа тонкой структуры пор, сформированной аллелем PS1, исследователи восстановили полную трехмерную структуру пор в наномасштабе с помощью технологии фокусированного ионного пучка-сканирующей электронной микроскопии и обнаружили, что полость пор имеет сложную кривизну, самая узкая часть которой (отверстие пор) является ключом к определению эффективности транспортировки воды. Исследования показали, что PS1 Hap2 (гаплотип 2) образует меньшее отверстие пор, чем PS1 Hap1 (гаплотип 1), что обеспечивает более высокую эффективность транспортировки воды.

Дальнейшая функциональная проверка показала, что PS1 Hap2 демонстрирует более сильную деацетилазную активность из-за вариации аминокислот (V163A) и может производить ксиланы с низкой степенью ацетилирования. Эти ксиланы более плотно связаны с целлюлозой, что способствует плотному расположению целлюлозных нановолокон на границе пор канала и в конечном итоге образует структуру канала с меньшими порами. Эксперименты по обработке азотом показали, что растения риса, несущие PS1 Hap2, показали значительное повышение эффективности транспортировки азота в различных условиях азота, что привело к увеличению урожайности зерна, что подтвердило, что они являются превосходными гаплотипами.

Анализ сети гаплотипов показал, что PS1 имеет значительную дифференциацию между двумя основными подвидами риса индика и риса японско-Hap2 используется с высокой частотой в современных сортах риса индика, но редко используется в селекции риса японской. После генетического внедрения PS1 Hap2 в сорта риса японской «Wuyujing 3» и «Wujing Jing» урожайность зерна значительно увеличилась, что показало его огромный потенциал в селекции.

Удивительно, что исследования показали, что процесс регулирования размера пор азотом через PS1 контролируется MYB61 (ген QTL эффективности использования азота). Наложение превосходных аллелей MYB61 и PS1 может дополнительно оптимизировать геометрию пор протока, тем самым значительно увеличивая урожайность риса.

Исследование не только впервые выявило ген QTL PS1, который контролирует размер пор катетера, но и выявило его молекулярный механизм формирования морфологии пор путем деацетилирования ксилана, регулирования сшивания целлюлозы-ксилана и сборки нановолокон, что, в свою очередь, влияет на транспортировку воды и урожайность зерна. Результаты исследований дают новые идеи для понимания того, как сигнальные молекулы регулируют пластичность структуры клеток протока, а также создают многомасштабную стратегию исследований от генов до макромолекул полисахаридов, от субклеточной ультраструктуры до клеток/тканей и целых растений, что обеспечивает важную поддержку инновациям в устойчивых сельскохозяйственных технологиях.