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2024年11月11日，海南大學(xué)/崖州灣國家實驗室羅杰教授團隊在《Molecular Plant》（IF=17.1）發(fā)表了題為“Volatilome-based GWAS identifies OsWRKY19 and OsNAC021 as key regulators of rice aroma”的研究論文，該研究成功發(fā)現(xiàn)了水稻香氣的關(guān)鍵調(diào)控因子OsWRKY19和OsNAC021，并借助DAP-seq等技術(shù)解析了水稻香味的遺傳調(diào)控機制。

研究背景

香米因其特殊的香味而受到全球的青睞，這不僅增加了其營養(yǎng)價值，而且提高了其經(jīng)濟價值。然而，除了2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）外，香氣的代謝基礎(chǔ)尚不清楚，香氣代謝物積累的遺傳基礎(chǔ)在很大程度上也是未知的。

研究結(jié)果

本研究使用固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜（SPME-GC-MS）、香味評分和分子對接等方法，對204個水稻核心種質(zhì)進行揮發(fā)組學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)2-AP和脂肪酸衍生的揮發(fā)性代謝物（FAVs）對稻米香味的貢獻極為顯著。

圖1. 香味物質(zhì)鑒定

研究顯示，大米香味特征分子機制的研究主要集中在甜菜堿醛脫氫酶2（OsBADH2）上。OsBADH2基因內(nèi)的許多突變可以將非香米品種轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢阄兜钠贩N。作者通過基因組與揮發(fā)組關(guān)聯(lián)分析（vGWAS），鑒定到除OsBADH2外，另一個新的顯著位點OsAROMA1（OsWRKY19）。并且，OsWRKY19的3’端下游轉(zhuǎn)座子區(qū)域的自然變異與2-AP含量具有顯著相關(guān)性。

圖2. 通過vGWAS分析水稻籽粒2-AP含量的新變異

為了進一步探究OsWRKY19的調(diào)控機制，作者進行了DNA親和純化測序（DAP-seq）。兩個重復(fù)分別鑒定出42,870和43,190個結(jié)合位點，其中有41,768個共享的目標基因重疊。OsWRKY19的結(jié)合位點富集在靶基因轉(zhuǎn)錄起始位點附近，主要分布在遠端基因間區(qū)和外顯子區(qū)域。Motif分析發(fā)現(xiàn)OsWRKY19主要富集的核心序列是“TTGACC/T”，并發(fā)現(xiàn)OsWRKY19可以結(jié)合在OsBADH2啟動子。雙熒光素酶報告實驗和電泳遷移率變動分析（EMSA）結(jié)果顯示，OsWRKY19可直接結(jié)合到OsBADH2啟動子并抑制其活性。同時，OsWRKY19-OE株系表現(xiàn)出較好的農(nóng)藝性能。以上結(jié)果表明OsWRKY19負調(diào)控OsBADH2增加2-AP含量。

圖3. OsWRKY19正調(diào)控2-AP生物合成和農(nóng)藝性狀

此外，通過vGWAS分析，作者還發(fā)現(xiàn)與FAVs（己醛、辛醛、2-辛烯醛和1-庚醇）含量相關(guān)的基因位點共定位在OsAROMA2（OsNAC021）上。該基因編碼區(qū)的Indel與FAVs含量顯著相關(guān)，并且含有高FAVs含量的單倍型在水稻群體中經(jīng)歷了自然選擇。

圖4. 鑒定與水稻FAV含量相關(guān)的共定位位點

通過構(gòu)建轉(zhuǎn)基因材料，結(jié)合RNA測序（RNA-seq）、KEGG富集分析、酵母單雜交（Y1H），雙熒光素酶報告實驗等方法，發(fā)現(xiàn)OsAROMA2（OsNAC021）能夠直接與LOX途徑的OsADH1、OsADH2和OsLOX9基因的啟動子區(qū)域結(jié)合，并抑制這些基因的活性，從而負調(diào)控游離芳香族化合物（FAVs）的積累。

圖5. OsNAC021負調(diào)控FAV生物合成

圖6. OsNAC021負調(diào)控LOX通路基因的表達

進一步的麻雀自由取食實驗表明，與普通水稻籽粒相比，麻雀更傾向于選擇高2-AP含量和高FAVs含量的香稻籽粒進行取食。這些結(jié)果為香稻品種的遺傳改良和香味品質(zhì)的提升提供了新的研究方向和策略。