
水稻细胞壁中的半纤维素(主要是木聚糖)如同“钢筋”中的“混凝土”,与纤维素、木质素紧密交联,决定了茎秆的机械强度和植株的生长发育。然而,调控水稻木聚糖主链合成的关键酶基因一直未被完全解析。沈阳农业大学陈温福院士团队李丰成课题组最新研究发现,OsIRX9L、OsIRX10 与 OsIRX14 共同参与水稻木聚糖的合成,其中 OsIRX10 起主导作用。敲除这些基因会导致木聚糖含量大幅下降、茎秆变脆、植株矮化。该成果为通过分子设计改良水稻茎秆强度、抗倒伏性以及生物质利用提供了重要基因资源。



思考路径

木聚糖是禾本科作物次生细胞壁中最主要的半纤维素,其合成需要多个糖基转移酶协同完成。在拟南芥中,GT43和GT47家族的IRX9L、IRX10、IRX14已被证实是木聚糖主链合成的核心组分。但在水稻中,这些同源基因的功能是否保守?是否存在功能主次之分?研究团队首先通过进化树分析发现,水稻OsIRX9L、OsIRX10、OsIRX14分别与拟南芥AtIRX9L、AtIRX10、AtIRX14高度同源。进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术分别敲除这三个基因,创制了纯合突变体,并通过免疫组化染色、细胞壁组分测定和农艺性状考察,系统解析了它们在水稻木聚糖合成中的作用。


研究成果

基因表达具有组织特异性:OsIRX9L、OsIRX10 和 OsIRX14均在富含次生细胞壁的茎秆中高表达,与次生壁纤维素合酶基因CESA4/CESA7呈现共表达模式,表明它们协同参与次生壁构建。
突变体木聚糖合成严重受阻:利用LM10/LM11木聚糖特异性抗体对茎秆横切进行免疫荧光染色,发现所有突变体的荧光信号均显著减弱,其中 osirx10 突变体减弱的程度最为明显;木糖含量测定也证实在 osirx10 突变体中下降幅度最大。
细胞壁组分改变:与野生型相比,突变体的半纤维素和纤维素含量均显著降低,半纤维素减少尤为明显,尤其在 osirx10 突变体中的半纤维素含量减少较为显著;木质素和果胶含量无显著变化。这暗示木聚糖的缺失破坏了纤维素-半纤维素的协同组装。

A:野生型和突变体的株型;B~E:野生型和突变体的株高、穗长、干物重、分蘖数
野生型和突变体的农艺性状比较
农艺性状受影响:所有突变体均表现出株高显著矮化、干物质重下降,但穗长和分蘖数无显著差异。
综上,OsIRX10是水稻木聚糖合成的核心催化亚基,OsIRX9L和OsIRX14起辅助作用。


拓展内容

该研究不仅深化了对禾本科作物细胞壁合成机制的认识,还具有重要的应用前景:
抗倒伏育种:适度上调 OsIRX10 的表达,有望增加木聚糖含量,增强茎秆强度,提高水稻抗倒伏能力。
生物能源利用:木聚糖是细胞壁半纤维素的重要组分,调控其合成可适度改变细胞壁降解性,为秸秆生物质转化提供新策略。
分子设计靶点:OsIRX10 可作为基因编辑的精准靶点,通过启动子优化或等位基因替换,实现水稻茎秆特性的定制化改良。

团队风采
该研究由沈阳农业大学水稻研究所陈温福院士团队完成。第一作者阮楠,博士,长期从事水稻细胞壁合成研究,以第一作者在Journal of Experimental Botany、RICE 期刊发表论文2篇。李丰成教授,主要从事植物细胞壁生物合成与生物质高效利用研究,主持国家自然科学基金面上项目等多项课题。
团队带头人陈温福院士是我国著名水稻专家,长期致力于水稻超高产育种理论及栽培技术的综合研究,创建了以籼粳稻亚种间杂交与理想株型为基础的北方粳型超级稻育种理论与技术体系,设计出直立大穗新株型模式并成功地应用于育种实践,使中国成为通过亚种杂交创新种质、株型改良和高产育种最成功的国家。育成了中国第一个直立大穗型超级稻沈农265、优质超级稻沈农606和广适型超级稻沈农9816等25个新品种,促进东北粳稻种植面积、单产和总产量的大幅度提高。团队拥有完善的基因编辑、细胞壁组分分析等平台,欢迎国内外同行交流合作。





本文
刊载于《植物遗传资源学报》
2026年第5期 P1033-1043|欢迎转发

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