水稻分蘖的调控

2003年，中科院遗传所李家洋团队在国际知名顶级期刊Nature杂志发表了题为《Control of tillering in rice》的研究论文。此研究发现、分离和鉴定了水稻分蘖基因MOC1。其突变体植株中，分蘖芽形成缺陷，导致仅有一个主茎而无分蘖。MOC1编译了一个GRAS家族核蛋白，其主要在腋芽表达，能启动腋芽分生组织、促进腋芽生长。

研究内容

研究者为了研究水稻分蘖数调控机制，通过γ突变、EMS诱变、自然突变进行筛选。其中出现了十分有趣的突变体：自然诱变后的moc1突变体植株几乎仅一个主茎。同野生型植株WT正反交遗传分析，发现MOC1有单核位点的隐性突变。对突变体和5个分蘖数减少隐性突变体等位测验后，MOC1是新发现的一个参与调控水稻分蘖基因座。

moc1突变体表型及MOC1分子鉴定

组织形态学观察中：苗期时，突变体植株形态上无明显变化。但在分蘖期中，自第4叶完整形成后，WT植株分蘖开始从叶鞘产生，而moc1突变体植株叶腋未发生分蘖（Fig.1a-d）。抽穗期，WT植株产生了主茎以外的分蘖，而moc1突变体植株中仅主茎（Fig.1e-f）。同样，moc1突变体植株较WT有更少的叶轴叶枝和花穗（Fig.1g-h）。但突变体的根系没有受到明显影响（Fig.1a-f）。

Fig.1 moc1突变体的表型和回补

研究者还对MOC1进行了分子鉴定。通过分子标记实现精准定位到20kb长开放阅读框（Fig.2a-b）。其编码蛋白与番茄侧抑制蛋白LATERAL SUPPRESSOR(LS)高度同源(44%)。LS在番茄中的缺失会导致植株无法启动叶腋分生组织，从而导致番茄分枝减少。与番茄LS同源的水稻ORF很可能是MOC1基因。

经同源分析，确认了MOC1是植物特异性GRAS家族蛋白成员。且其家族蛋白均含一个保守的 VHIID 基序，两侧是两个亮氨酸七肽重复序列、一个保守的 C 端区域和一个长度和序列不同的 N 端区域。除此外，MOC1 C末端还包含了一个SH2类结构域，紧随着一个保守的酪氨酸，很可能是其一个潜在的磷酸化位点（Fig.2c）。

Fig.2 MOC1的分子鉴定

通过GFP绿色荧光蛋白报告基因，研究者在稳定遗传的转基因植株中观察到了细胞核中的绿色荧光，确认了MOC1核定位和其转录调节的功能。（Fig.2d-f）

MOC1调控水稻分蘖

研究者还在解剖学、组织学水平上对MOC1突变体进行了观察。WT幼苗中，在未伸长的基部节间能看到分蘖芽的形成。（Fig.3a）而moc1突变体中无法看到相关分蘖芽。（Fig.3b）分蘖芽的无法形成可能造成了无分蘖。同样的，WT幼苗尖端纵剖面，能观察到分蘖芽的不同发育阶段（Fig.3c，e，g，i），而在moc1突变体中无法看到（Fig.3d，f，h，j）。且野生型植株第6、5、4叶腋生出的三个分蘖芽大致对应拟南芥腋芽形成的三个阶段，腋窝细胞分裂（Fig.3e），腋生分生组织的出现（Fig.3g），叶腋原基的分化（Fig.3i）。从第一阶段腋窝细胞分裂开始就可以观察到缺陷（Fig.3e，f），以及后续无腋分生组织（Fig.3g，h）和分蘖芽的出现（Fig.3i，j）。叶腋分生组织的不能启动导致了moc1突变体无法分蘖。

Fig.3 水稻分蘖芽的显微观察

研究者还通过时空表达分析，进一步证实了MOC1在不同时期对分蘖的影响（Fig.3k-o）。

MOC1促进分蘖芽的形成和生长、降低株高

除此之外，研究者对分蘖模式也进行了观察研究。WT型植株中，分蘖芽出现在叶腋下，但仅在未伸长的节间才能分蘖，伸长节间形成的会停止生长分蘖。（Fig.4a）。WT植株通常形成第二分蘖，而第三、四、五分蘖几乎很少（Fig.4c）。而MOC1转基因植株中，这种模式有所不同：大多数分蘖芽形成于上部伸长节间（Fig.4b），且后分蘖芽（Fig.4c）能形成分蘖，并在部分叶腋处形成了一个以上的分蘖（Fig.4b）。且这些分蘖中所改变的表型在T2中稳定遗传。

Fig.4 MOC1促进WT和moc1突变体的分蘖芽生长以及OSH1、OsTB1表达

这都说明MOC1除了在分蘖芽形成发挥作用，还在遗传中促进分蘖芽的生长。MOC1转基因植株分蘖能力较WT提高了2-3倍（Fig.1j）。

分蘖多的MOC1转基因株系，株高会显著降低（Fig.1j）。而这种分蘖多降低株高的现象在高分蘖矮化突变体和栽培稻品种中也可见到负相关关系。这一关联将更快推动其分子机制的研究。

MOC1通过调控OSH、OsTB1影响水稻分蘖

水稻分蘖是一个伴随大量基因微调的过程。而MOC1在分蘖芽形成和生长，以及其核定位，说明MOC1很可能是这一复杂过程中的关键调节因子。研究者通过检测参与芽分生、分枝发育几个重要基因的表达，来观察下游表达基因水平变化。其中，OSH1是分生组织启动和维持的关键调控基因，OsTB1是玉米调节腋芽生长TB1的水稻同源基因。通过RT-PCR分析表明OSH1、OsTB1表达在moc1突变体中显著降低。

为了进一步证实，研究者通过原位（in situ examination）透射电子显微实验观察了OSH1、OsTB1在分蘖芽形成过程表达。WT中，除了茎尖分生组织中表达，OSH1还在腋生分生组织中表达（Fig.4d），以及分蘖芽的顶端分生组织（Fig.4e）。而moc1突变体中，尽管茎尖分生组织表达未受影响，但叶腋中无法检测到相关表达（Fig.4f）。OsTB1也进行了类似观察（Fig.4g-i）。这些都表明，MOC1可能是水稻分蘖中的一个关键调控因子，并在此过程中调控OSH1、OsTB1。

总结与讨论

研究者在2003年完成了此项研究工作并在国际知名顶级期刊Nature发表论文。该工作分离并鉴定到了第一个控制水稻分蘖的新基因MOC1。MOC1与番茄中LS突变体表型和序列类似,两种很可能是直系同源物。但MOC1有其独特功能，促进分蘖芽的形成和生长、降低株高。这极大可能说明了单子叶植物分蘖和双子叶植物分枝的根本区别。水稻作为单子叶模式植物，其分蘖调控基因MOC1的发型为作物改良提供了潜在方向。但其在双子叶植物中的分枝研究是以番茄中LS类比，缺乏双子叶模式植物的普遍证明，较为可惜。可进一步推进相关研究，进一步阐述单双子叶植物的分蘖、分枝异同。