株型是決定水稻產量的重要因素，而葉夾角是其中重要的農藝性狀之一。直立葉適宜密植，可減少植株間的相互遮蔽，增加光合效率，提高作物產量。葉夾角的大小主要由葉枕控制，葉枕發育過程中的細胞分裂和伸長能導致葉片傾角的改變。細胞分裂素（cytokinin, CK）是調控農作物形態生理和產量的重要激素之一，與幹細胞分裂、穗發育、株型、氮肥利用、環境脅迫等均密切相關，但在調控水稻葉枕發育和葉夾角大小中的作用仍然未知。
2022年8月29日，浙江師範大學生化學院張可偉教授課題組在Plant Physiology在線發表了題為「Cytokinins Regulate Rice Lamina Joint Development and Leaf Angle」的研究論文，揭示了細胞分裂素參與調控水稻葉枕發育和葉夾角大小的機制。
細胞分裂素在葉夾角形成中的作用尚不清楚，為了揭示細胞分裂素在水稻葉夾角形成中的調控作用，研究者首先利用CRISPR-Cas9基因編輯技術創製的水稻10個細胞分裂素氧化酶突變體（osckx1-11）進行表型分析，發現osckx3突變體的葉角變小，而過表達株系 (OsCKX3-OE) 的葉角增大（圖1）。
組織切片顯示，osckx3和OsCKX3-OE株系葉片傾角變化是由於葉枕細胞和維管束不對稱增殖所致。qRT-PCR、啟動子融合的GUS表達和亞細胞定位分析表明OsCKX3在葉枕中高量表達，OsCKX3-GFP融合蛋白定位於內質網（ER）。體外重組OsCKX3蛋白對反式（trans-Zeatin，tZ）和異戊烯基腺嘌呤 (isopentenyladenine，iP) 表現出較強的偏好性，但是對其他形式的細胞分裂素沒有催化活性。與此相對應葉枕處的激素測定結果顯示，tZ 和 iP 在osckx3突變體中增加，但在OsCKX3過表達株系中減少。qRT-PCR結果顯示細胞分裂相關基因 CYC U4;1在osckx3突變體中表達增加，但在 OsCKX3 過表達株系中減少。說明細胞分裂素正向調控水稻葉枕中CYC U4;1基因的表達，從而負調控葉夾角（圖2）。前人研究表明CYC U4;1受油菜素內酯（BR）信號負調控。因此，我們推測BR和細胞分裂素可能通過CYC U4;1節點拮抗調控葉夾角大小。BR信號缺陷突變體能顯著減小葉夾角，與此同時也及降低了株高和籽粒大小。有意思的是osckx3的葉夾角變小，但是株高不變，其一次枝梗數、籽粒大小、千粒重和劍葉大小均有所增加。
綜上所述，該研究揭示敲除OsCKX3基因能提高葉枕處的細胞分裂素水平從而負調控葉夾角，進一步表明細胞分裂素代謝途徑在作物改良上具有巨大潛力。
圖2. OsCKX3介導CK穩態調控水稻葉枕發育和葉夾角的示意圖模型。
浙江師範大學生化學院張可偉教授為通訊作者，張可偉課題組黃鵬博士和趙江哲博士為該論文的第一作者。碩士生洪佳樂、朱寶、夏帥和本科生韓平飛以及生化學院朱恩高博士為共同作者。該研究得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金和國家重點研發專項的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiac401
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