籽粒大小和粒重是影响作物产量的重要因素，解析调控作物粒型、粒重的分子机理可以为作物高产品种的创制提供新的途径和策略。近年来，许多参与调控作物籽粒大小和粒重的基因以及信号途径被发现，其中有报道指出乙烯作为一种重要的气态植物激素，与作物籽粒发育有密切关系，但其下游调节机制尚不明确。

2022年04月11日，北京科技大学、北京中智生物农业国际研究院万向元教授团队与华南农业大学马彪教授团队、湖南水稻杂交中心袁定阳研究员团队合作于国际知名期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为“The OsEIL1-OsERF115-target gene regulatory module controls grain size and weight in rice”的研究论文。该研究发现乙烯响应因子OsERF115是乙烯信号通路调控下游控水稻籽粒发育的关键效应因子，揭示了OsERF115控制水稻籽粒大小和粒重的分子作用机制，并发现ERF115作为转录抑制子在玉米、高粱和小麦中具有功能保守性，该研究结果为作物产量的遗传改良提供了新的思路和技术途径。

首先，研究鉴定到一个在水稻籽粒中特异表达的乙烯应答因子基因OsERF115，过表达该基因导致籽粒大小和重量显著提高，最终提高水稻单株产量。利用CRISPR/Cas9创制的OsERF115敲除突变体籽粒宽度和千粒重明显下降（图1），表明OsERF115对籽粒大小和粒重起着重要的调控作用。细胞学分析表明，OsERF115通过促进颖壳表皮细胞的纵向伸长影响籽粒长度，通过调控颖壳横向细胞增殖改变籽粒宽度。同时，提高OsERF115表达量可促进胚乳糊粉层细胞增殖并加快籽粒灌浆，导致粒重增加。

图1. OsERF115过表达和CRISPR/CAS9敲除株系的表型分析

研究进一步发现，外源乙烯可以通过乙烯信号转导通路依赖的方式激活OsERF115的转录水平（图2A）。应用双荧光素酶报告系统、EMSA和ChIP-qPCR分析发现，乙烯信号转导关键转录因子OsEIL1通过EBS基序特异性结合并激活OsERF115启动子（图2 B，C）。在水稻植株中，OsERF115基因表达量受OsEIL1调控，进一步证明OsERF115参与乙烯信号传导，OsEIL1是其上游转录因子且直接激活其表达。OsERF115基因编码一个具有转录抑制活性的ERF类转录因子，OsERF115显著抑制籽粒大小负调控因子OsGW2和OsGS6的启动子活性（图2 D）。EMSA和ChIP-qPCR结果显示，OsERF115可以与OsGW2和OsGS6启动子的GCC-Box基序直接结合（图2 E，F），从而抑制其表达。经qRT-qPCR检测，OsERF115下游基因的表达量也受到OsEIL1调控，说明OsEIL1和OsERF115在相同的通路中发挥调节籽粒发育的作用，构成“OsEIL1-OsERF115-籽粒大小基因”调控模块（图2G），进而控制水稻籽粒大小和粒重。

图2. “OsEIL1-OsERF115-靶基因”调控模块控制水稻籽粒发育的分子机制

基于3,010个水稻种质基因序列分析，研究发现OsERF115启动子区域存在大量SNP。OsERF115启动子的多态性影响了该基因对乙烯信号响应，EBS基序的自然变异是影响该基因启动子活性的主要原因，其中-835 位点的SNP与籽粒重量密切相关（图3）。这一结果暗示在水稻育种中对具有完整EBS基序的单倍型进行定向选择有助于提高水稻籽粒大小和产量。

图3. OsERF115启动子多态性与基因表达和粒重相关

最后，利用应用双荧光素酶报告系统研究发现，ERF115作为转录抑制子在玉米、高粱和小麦中具有功能保守性（图4），为不同作物产量的遗传改良提供了新的思路。

图4. ERF115作为转录抑制子在玉米、高粱和小麦中具有功能保守性

本研究主要依托北京科技大学生物与农业研究中心、北京中智生物农业国际研究院、华南农业大学农学院以及湖南水稻杂交中心等单位完成；北京科技大学博士生刘昌、华南农业大学博士生马田、湖南水稻杂交中心袁定阳研究员为该论文共同第一作者；北京科技大学万向元教授、华南农业大学马彪教授、中智国际研究院魏珣研究员为共同通讯作者。同时，中国科学院遗传与发育生物学研究所、湖南农业大学、北京市农林科学院、中国农业科学院作物科学研究所、北京首佳利华科技有限公司等单位也参与了该工作。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划专项和中央高校基本科研业务费等联合资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13825