论文 | 沈阳农业大学陈温福院士团队揭示水稻木聚糖合成核心基因,为茎秆改良和抗倒伏育种提供新靶点

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。