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Plant Physiol | 华南农业大学王州飞/赵佳团队揭示水稻种子萌发新机制:OsNAC3-OsITPK4-OsMT2b

2026-10-22 10:18:41

Plant Physiol | 华南农业大学王州飞/赵佳团队揭示水稻种子萌发新机制:OsNAC3-OsITPK4-OsMT2b

水稻（Oryza sativa L.）直播技术因其省工、节水及低碳排放等优势，正受到全球农业生产的广泛关注。而直播栽培成功的关键在于种子能否快速、整齐地萌发，以确保全苗和增强对复杂环境的抗性。在调控种子萌发的众多因素中，活性氧（ROS）扮演着“双刃剑”的角色：适量的 ROS 作为信号分子促进萌发，而过量的积累则会造成氧化损伤并导致种子活力丧失。然而，水稻种子萌发过程中如何精准维持 ROS 在氧化窗口内的稳态，其底层的分子逻辑仍存在较大认知缺口。尽管已知金属硫蛋白OsMT2b是重要的ROS清除因子，但其在萌发过程中的上游调节机制尚未被完全阐明。

2026年3月26日，华南农业大学农学院王州飞教授与赵佳副教授团队在国际植物学顶尖期刊《Plant Physiology》上发表（最终校稿还未提交）了题为“The OsNAC3-OsITPK4-OsMT2b module regulates rice seed germination through the reactive oxygen species pathway”的研究论文，研究首次鉴定到水稻中一个在种子萌发过程中特异诱导表达的肌醇激酶基因OsITPK4，并揭示了其受上游转录因子OsNAC3调控，通过物理结合并稳定活性氧清除蛋白OsMT2b的水平，从而维持胞内活性氧（ROS）稳态以促进种子萌发的分子调控模块。这一发现不仅拓宽了肌醇磷酸代谢相关基因的功能认知，也为选育适合直播、高活力的水稻新品种提供了核心遗传靶点。

为明确OsITPK4在种子萌发过程中的表达特征，研究首先通过前期RNA测序筛选出种子萌发相关候选基因OsITPK4，采用RT-qPCR验证其转录水平显著高于其他ITPK家族成员；进一步检测发现OsITPK4在种子吸胀阶段表达，转录水平在吸胀0-8小时逐渐升高，24-72小时下降；GUS染色显示其在萌发8-48小时的胚中表达，72小时后在幼苗的芽和胚根中表达；亚细胞定位分析表明OsITPK4蛋白定位于水稻原生质体的细胞核和细胞质中。OsITPK4可能在种子萌发调控中发挥特异性作用。

OSITPK4的表达特征

为验证OsITPK4对种子萌发的调控作用，研究构建了OsITPK4的两个独立突变体（Ositpk4-1、Ositpk4-2）和两个互补系（Com-1、Com-2），萌发实验显示，与野生型（WT）相比，Ositpk4突变体的发芽势、成苗率、根长和芽长均显著降低，而互补系可完全恢复突变体表型；同时检测农艺性状发现，Ositpk4突变对籽粒形态、株高和分蘖能力等关键农艺性状无显著影响，表明OsITPK4在种子萌发和幼苗建成中发挥重要且专一的作用，对正常农艺性状无影响。

OsITPK4调控种子萌发和幼苗生长

为探究OsITPK4是否通过植酸（PA）代谢调控种子萌发，研究检测了Ositpk4突变体萌发过程中的PA含量，发现其与WT无显著差异；进一步用10μmol/L和1mmol/L的外源PA处理Ositpk4突变体，结果显示该处理无法将突变体的发芽势、成苗率、根长和芽长恢复至WT水平，表明OsITPK4通过不依赖于PA的途径调控种子萌发。

外源植酸（PA）对 Ositpk4突变体种子萌发的影响

为阐明OsITPK4的调控网络，研究以OsITPK4为诱饵进行酵母双杂交（Y2H）筛选，鉴定出与其相互作用的金属硫蛋白OsMT2b；通过双分子荧光互补（BiFC）实验，在烟草表皮细胞中观察到OsITPK4与OsMT2b的相互作用信号，定位于细胞核和细胞质；体外pull-down实验和体内免疫共沉淀（Co-IP）实验进一步证实二者在体外和体内均能物理相互作用；体外降解实验和水稻原生质体瞬时表达实验表明，OsITPK4可通过抑制26S蛋白酶体介导的降解，增强OsMT2b蛋白的稳定性。

OsITPK4 与 OsMT2b 相互作用并使其稳定

为明确OsMT2b在种子萌发中的作用及与OsITPK4的遗传关系，研究构建了OsMT2b的两个独立CRISPR/Cas9突变体（Osmt2b-1、Osmt2b-2），萌发实验显示Osmt2b突变体萌发延迟，发芽势、成苗率、根长和芽长均显著低于WT，表明OsMT2b正向调控种子萌发；进一步构建Ositpk4突变体背景下的OsMT2b过表达株系，表型分析显示OsMT2b过表达可完全恢复Ositpk4突变体的萌发缺陷，表明OsITPK4和OsMT2b协同调控种子萌发，且OsITPK4在调控通路中位于OsMT2b上游。

OsITPK4 与OsMT2b之间遗传关系的验证

为筛选OsITPK4的上游调控因子，研究通过酵母单杂交（Y1H）筛选鉴定出OsNAC3；Y1H实验证实OsNAC3可靶向结合OsITPK4；电泳迁移率变动分析（EMSA）显示，重组OsNAC3蛋白可特异性结合OsITPK4启动子上的CACG基序，且未标记的野生型探针可竞争性抑制该结合，突变型探针则不能；染色质免疫沉淀定量PCR（ChIP-qPCR）实验证实OsNAC3在体内可特异性结合OsITPK4启动子的P2和P3片段；瞬时表达实验显示，OsNAC3可显著激活OsITPK4启动子的转录活性；RT-qPCR分析表明，Osnac3突变体中OsITPK4的转录水平显著低于WT，综上表明OsNAC3可直接结合OsITPK4启动子并激活其转录，从而调控种子萌发。

OsNAC3 在种子萌发过程中直接激活 OsITPK4 的表达

为明确OsNAC3与OsITPK4的遗传层级关系，研究构建了Osnac3/Ositpk4双突变体，表型分析显示，双突变体的萌发延迟表型与Ositpk4单突变体一致，且比WT和Osnac3单突变体更显著，这种上位性关系表明在种子萌发调控模块中，OsNAC3位于OsITPK4上游。

OsNAC3 与 OsITPK4之间遗传关系的验证

为探究OsNAC3-OsITPK4-OsMT2b模块是否通过ROS通路调控种子萌发，研究检测发现，Osnac3、Ositpk4和Osmt2b突变体在吸胀48和72小时后的H₂O₂含量显著高于WT，DAB染色显示突变体胚区染色更深，表明突变体中ROS过量积累；外源0.3% H₂O₂处理实验显示，三个突变体种子对H₂O₂更敏感，发芽势、成苗率、根长和芽长均显著下降，证实OsNAC3-OsITPK4-OsMT2b级联通过调控ROS通路影响种子萌发。

OsITPK4通过活性氧（ROS）通路调控种子萌发

研究首次明确OsITPK4作为水稻种子萌发的关键调控因子，通过不依赖于植酸的途径发挥作用；系统揭示了OsNAC3-OsITPK4-OsMT2b调控模块的作用机制，完善了水稻种子萌发中ROS稳态的分子调控网络；鉴定出OsNAC3、OsITPK4、OsMT2b等关键调控靶点，可通过精准调控ROS稳态优化水稻种子萌发特性，且不影响水稻正常农艺性状，为培育适配直播栽培的水稻品种提供了重要的理论支撑和实用靶点，对推动水稻直播栽培发展、保障粮食安全具有重要意义。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag165

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