捷報(bào)頻傳！繼頂刊Cell、兩篇Molecular Plant之后，我們的客戶再下一城，又一研究成果強(qiáng)勢(shì)登陸Molecular Plant！本期，小編將帶您深入解讀這篇最新發(fā)表的文章，希望能為您的科研之路帶來(lái)啟發(fā)與靈感！

2024年11月11日，海南大學(xué)/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室羅杰教授團(tuán)隊(duì)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(jī)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且提高了其經(jīng)濟(jì)價(jià)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(píng)分和分子對(duì)接等方法，對(duì)204個(gè)水稻核心種質(zhì)進(jìn)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(duì)稻米香味的貢獻(xiàn)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(jī)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(guò)基因組與揮發(fā)組關(guān)聯(lián)分析（vGWAS），鑒定到除OsBADH2外，另一個(gè)新的顯著位點(diǎn)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(guò)vGWAS分析水稻籽粒2-AP含量的新變異

為了進(jìn)一步探究OsWRKY19的調(diào)控機(jī)制，作者進(jìn)行了DNA親和純化測(cè)序（DAP-seq）。兩個(gè)重復(fù)分別鑒定出42,870和43,190個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，其中有41,768個(gè)共享的目標(biāo)基因重疊。OsWRKY19的結(jié)合位點(diǎn)富集在靶基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近，主要分布在遠(yuǎn)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(dòng)子。雙熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)和電泳遷移率變動(dòng)分析（EMSA）結(jié)果顯示，OsWRKY19可直接結(jié)合到OsBADH2啟動(dòng)子并抑制其活性。同時(shí)，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(fù)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(guò)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(diǎn)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(diǎn)

通過(guò)構(gòu)建轉(zhuǎn)基因材料，結(jié)合RNA測(cè)序（RNA-seq）、KEGG富集分析、酵母單雜交（Y1H），雙熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)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(dòng)子區(qū)域結(jié)合，并抑制這些基因的活性，從而負(fù)調(diào)控游離芳香族化合物（FAVs）的積累。

圖5. OsNAC021負(fù)調(diào)控FAV生物合成

圖6. OsNAC021負(fù)調(diào)控LOX通路基因的表達(dá)

進(jìn)一步的麻雀自由取食實(shí)驗(yàn)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(jìn)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。