Plant Biotechnology Journal—薛红卫团队联合揭示水稻分蘖角度调控新途径
近日，中心薛红卫教授作为共同通讯作者参与的重要研究成果——“LAZY5 acts in a LAZY1-independent pathway to regulate rice tiller angle”发表在Plant Biotechnology Journal上。该研究成功鉴定到一个协同调控水稻分蘖角度和分蘖数的关键基因LAZY5（LA5），并揭示了该基因通过不依赖于LA1的新途径调控水稻茎的生长素侧向运输进而调控重力反应和分蘖角度的分子机制。这一重要发现不仅丰富了水稻株型建成的调控网络，完善了相关理论体系，更为水稻高产育种提供了宝贵的基因资源，对作物株型遗传改良具有重要的理论指导意义和应用价值。
水稻分蘖角度是指最外侧分蘖与垂直线之间的夹角，是决定水稻株型的重要农艺性状之一，直接影响水稻种植密度和光能利用效率，进而影响产量（Wang et al., 2022）。研究表明，茎的重力反应是调控水稻分蘖角度的核心生物学过程（Gao et al., 2019; He et al., 2021; Wang et al., 2022）。其中，生长素侧向运输（LAT）在介导重力信号转导和株型塑造中发挥关键作用（Wang et al., 2022）。LA1作为首个被克隆的水稻分蘖角度基因，其功能缺失会导致生长素分布紊乱和茎重力反应显著减弱（Li et al., 2007; Yoshihara & Iino, 2007）。近年来，多个研究团队鉴定了一系列依赖于LA1途径调控分蘖角度的关键基因（Harmoko et al., 2016; Hu et al., 2020; Li et al., 2007, 2019, 2020; Wang et al., 2023; Yoshihara & Iino, 2007; Zhang et al., 2018, 2023; Zhao et al., 2015; Zhu et al., 2020）。研究发现，LA1的核定位受BRXL4蛋白调控（Li et al., 2019），其表达水平受分蘖角度驯化因子PROG1抑制，同时LA1也能反馈抑制PROG1的转录（Wang et al., 2023a,b; Zhang et al., 2023）。此外，HSFA2D、WOX6/11、OsHOX1/28、OsARF5和OsARF12/17/25等转录因子也通过LA1依赖途径参与分蘖角度调控（Hu et al., 2020, 2025; Li et al., 2020; Zhang et al., 2018）。然而，la1突变体茎仍保留部分重力反应能力（Li et al., 2007；Yoshihara & Iino, 2007），暗示存在未知的LA1非依赖调控新途径，但长期以来缺乏直接遗传证据。山东农业大学王永红课题组及其合作团队的最新研究填补了这一空白。他们鉴定到一个协同调控分蘖角度和分蘖数的关键基因LA5，该基因编码ABCG亚家族转运蛋白，可通过与生长素转运蛋白OsPIN3t互作调控生长素侧向运输，进而影响茎的重力反应和分蘖角度。尤为重要的是，该研究首次揭示LA5通过独立于LA1的新途径调控水稻分蘖角度，为完善水稻株型调控网络提供了关键遗传证据。这一发现不仅深化了对分蘖角度分子机制的理解，更为协同改良分蘖角度和分蘖数、提高水稻产量提供了新的基因资源和育种策略。全文主要研究结果如下：
1. LA5基因的图位克隆、功能验证及表达特征分析
研究者通过图位克隆将目标基因锁定在候选基因LOC_Os03g17350上，表达和序列分析发现在该基因启动子区-809 bp处存在T-DNA插入（图1a），导致其表达量显著升高。LA5过表达（LA5-OE）和RNA干扰（LA5-RNAi）转基因株系表型分析显示， LA5-OE株系均表现出显著增大的分蘖角度和增多的分蘖数（图1b, c）；与之相反，LA5-RNAi株系则呈现更直立的株型和减少的分蘖数（图1b, c）。原位杂交结果显示，LA5在分蘖芽、茎顶端分生组织、叶原基和侧根原基中均有明显表达（图1d-h）。该基因在茎基部和分蘖芽中的高表达模式与其调控分蘖角度和分蘖数的生物学功能高度一致。该基因不仅正向调控水稻分蘖数，还通过负向调控茎的重力反应来增大分蘖角度。这一发现为理解水稻株型建成的分子机制提供了新的重要线索。
2. LA5作用于LA1非依赖的新途径调控水稻的侧向生长素运输和分蘖角度
LA1作为调控水稻茎重力反应和分蘖角度的关键因子，通过介导重力刺激下的生长素运输与再分配发挥功能。研究团队对la1 la5-D双突变体表型分析显示：与单突变体相比，双突变体表现出更为显著的分蘖角度增大表型（图2a, b）；在重力反应方面，双突变体的胚芽鞘和幼苗均表现出比单突变体更为迟缓的重力反应（图2c, d）；la1 la5-D植株的茎的重力反应几乎完全丧失，呈现沿地面匍匐生长的极端表型（图2a-d）。这些遗传证据充分表明，LA5在LA1功能缺失背景下仍能独立发挥调控作用，提示其通过不同于LA1的新通路调控茎的重力反应和分蘖角度。极性生长素运输（PAT）检测结果显示，la5-D能够显著逆转la1突变体的PAT增强表型，使la1 la5-D的PAT水平恢复至与ZH11野生型相当（图2e），这一发现排除了PAT变化与分蘖角度增大表型的直接关联。更为关键的是，侧向生长素运输（LAT）分析表明la1 la5-D双突变体几乎完全丧失LAT能力，而单突变体仅表现出部分缺陷（图2f）。这些精细的生理生化证据共同揭示，LA5通过一条全新的、不依赖于LA1的信号通路调控生长素侧向运输，进而调控茎的重力反应和分蘖角度。这一发现不仅完善了水稻株型建成的调控网络，更为理解植物重力反应的分子机制提供了新的理论视角。
图2. LA5作用于LA1非依赖的新途径调控水稻重力反应和分蘖角度
3. LA5通过与生长素运输蛋白OsPIN3t互作调控水稻分蘖角度
为深入解析LA5调控生长素侧向运输（LAT）及水稻分蘖角度的分子机制，研究团队首先利用酵母双杂交技术筛选LA5的互作蛋白。在候选互作因子中，生长素运输蛋白OsPIN3t与LA5在酵母系统中显示相互作用（图3a）。通过荧光素酶互补成像（LCI）实验进一步验证，LA5确实能与OsPIN3t发生互作（图3b）。OsPIN3t缺失功能突变体CR-ospin3t表现出显著直立的株型（图3c-d）；与之相对应，OsPIN3t过表达株系（OsPIN3t OE）则呈现明显增大的分蘖角度（图3d），证实OsPIN3t是调控水稻分蘖角度的正向调节因子。la5-D OsPIN3t OE-1双转基因植株的表型更接近于OsPIN3t过表达株系（图3e），暗示OsPIN3t可能位于LA5下游发挥功能。综合以上实验结果，本研究揭示了一个新的分子调控模块：LA5通过直接与生长素运输蛋白OsPIN3t相互作用，协同调控生长素侧向运输的动态平衡，进而控制水稻茎的重力反应和分蘖角度。
4. LA5的单倍型分析及驯化选择分析
为深入探究LA5基因的自然变异特征及其进化选择模式，研究团队对来自不同稻作区的种质资源进行了系统的群体遗传学分析。粳稻群体中LA5的遗传多样性显著低于籼稻和野生稻群体（图4a），这一结果暗示LA5在粳稻驯化过程中可能经历了强烈的选择清除。单倍型聚类分析将LA5序列变异划分为三个显著分化的单倍型簇（HC）：HC1位普通野生稻（O. rufipogon），代表最原始的单倍型；籼稻材料分布于HC2和HC3两个进化分支，而粳稻材料则完全集中于HC3（图4b）。通过构建单倍型网络进一步发现，HC2与HC3之间存在明显的遗传分化，并以HC1作为祖先单倍型形成过渡（图4c），提示LA5在驯化过程中经历了选择驱动的单倍型分化。表型-基因型关联分析揭示，携带HC2单倍型的材料具有显著大于HC3的分蘖角度（图4d），表明LA5的自然变异与株型表型存在明确的相关性。这些发现共同表明，LA5作为重要的株型调控基因，其自然变异模式与水稻驯化过程中的适应性选择密切相关。不同单倍型的分化与地理分布特征，可能反映了人类选择和自然选择共同作用下对株型性状的优化，以适应不同生态环境下的栽培需求。这一研究为理解水稻
图4. LA5不同单倍型及其受选择性分析
综上所述，本研究揭示了一条不依赖于LA1的调控分蘖角度新通路，该通路通过调控生长素侧向运输来决定水稻茎的重力反应（图5）。在这一通路中，新发现的分蘖角调控因子LA5通过与生长素转运蛋白OsPIN3t互作，共同调节生长素的不对称分布。LA5和LA1虽然都是调控生长素侧向运输的关键基因，但二者通过不同作用方式调控茎的重力反应和分蘖角度。该研究阐明了LA5不依赖LA1途径调控水稻茎的重力反应和分蘖角度的新机制。在现代作物育种中，具有理想分蘖角度和分蘖数的株型结构备受青睐。本研究发现LA5基因对分蘖角度和分蘖数均具有重要调控作用，其表达上调不仅能增大分蘖角度，还可增加水稻分蘖数。LA5作为不依赖LA1途径的分蘖角度调控因子的发现，为水稻精准育种开辟了新途径。通过调控LA5表达或选择优异单倍型，育种家可优化水稻株型以适应高密度种植，提高群体产量。该研究突破了长期以来对LA1单一遗传通路的认知，绘制了更完整的水稻株型调控网络。本研究为通过精准调控LA5表达来平衡分蘖角度与分蘖数的高产育种提供了新策略。
图5. LA5调控水稻侧向生长素运输和分蘖角度新途径的工作模型
山东农业大学生命科学学院王文广副教授、崖州湾国家实验室桑大军青年科学家、山东农业工程学院李鹏教授为该论文的共同第一作者；王永红教授、李家洋院士和薛红卫教授为该研究工作共同通讯作者。研究工作得到了生物育种-国家科技重大专项，国家自然科学基金和山东省“泰山学者”人才工程等项目的支持。