籽粒大小和粒重是影响作物产量的重要因素，解析调控作物粒型、粒重的分子机理可以为作物高产品种的创制提供新的途径和策略。近年来，许多参与调控作物籽粒大小和粒重的基因以及信号途径被发现，其中有报道指出乙烯作为一种重要的气态植物激素，与作物籽粒发育有密切关系，但其下游调节机制尚不明确。
2022年4月11日，首佳利华研发团队与华南农业大学马彪教授团队、湖南水稻杂交中心袁定阳研究员团队合作于国际知名期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为“The OsEIL1-OsERF115-target gene regulatory module controls grain size and weight in rice”的研究论文。该研究发现乙烯响应因子OsERF115是乙烯信号通路调控下游控水稻籽粒发育的关键效应因子，揭示了OsERF115控制水稻籽粒大小和粒重的分子作用机制，并发现ERF115作为转录抑制子在玉米、高粱和小麦中具有功能保守性，该研究结果为作物产量的遗传改良提供了新的思路和技术途径。
首先，研究鉴定到一个在水稻籽粒中特异表达的乙烯应答因子基因OsERF115，过表达该基因导致籽粒大小和重量显著提高，最终提高水稻单株产量。利用CRISPR/Cas9创制的OsERF115敲除突变体籽粒宽度和千粒重明显下降（图1），表明OsERF115对籽粒大小和粒重起着重要的调控作用。细胞学分析表明，OsERF115通过促进颖壳表皮细胞的纵向伸长影响籽粒长度，通过调控颖壳横向细胞增殖改变籽粒宽度。同时，提高OsERF115表达量可促进胚乳糊粉层细胞增殖并加快籽粒灌浆，导致粒重增加。
图1. OsERF115过表达和CRISPR/CAS9敲除株系的表型分析
研究进一步发现，外源乙烯可以通过乙烯信号转导通路依赖的方式激活OsERF115的转录水平（图2A）。应用双荧光素酶报告系统、EMSA和ChIP-qPCR分析发现，乙烯信号转导关键转录因子OsEIL1通过EBS基序特异性结合并激活OsERF115启动子（图2 B，C）。在水稻植株中，OsERF115基因表达量受OsEIL1调控，进一步证明OsERF115参与乙烯信号传导，OsEIL1是其上游转录因子且直接激活其表达。OsERF115基因编码一个具有转录抑制活性的ERF类转录因子，OsERF115显著抑制籽粒大小负调控因子OsGW2和OsGS6的启动子活性（图2 D）。EMSA和ChIP-qPCR结果显示，OsERF115可以与OsGW2和OsGS6启动子的GCC-Box基序直接结合（图2 E，F），从而抑制其表达。经qRT-qPCR检测，OsERF115下游基因的表达量也受到OsEIL1调控，说明OsEIL1和OsERF115在相同的通路中发挥调节籽粒发育的作用，构成“OsEIL1-OsERF115-籽粒大小基因”调控模块（图2G），进而控制水稻籽粒大小和粒重。
图2. “OsEIL1-OsERF115-靶基因”调控模块控制水稻籽粒发育的分子机制
基于3,010个水稻种质基因序列分析，研究发现OsERF115启动子区域存在大量SNP。OsERF115启动子的多态性影响了该基因对乙烯信号响应，EBS基序的自然变异是影响该基因启动子活性的主要原因，其中-835 位点的SNP与籽粒重量密切相关（图3）。这一结果暗示在水稻育种中对具有完整EBS基序的单倍型进行定向选择有助于提高水稻籽粒大小和产量。
图3. OsERF115启动子多态性与基因表达和粒重相关
最后，利用应用双荧光素酶报告系统研究发现，ERF115作为转录抑制子在玉米、高粱和小麦中具有功能保守性（图4），为不同作物产量的遗传改良提供了新的思路。
图4. ERF115作为转录抑制子在玉米、高粱和小麦中具有功能保守性
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13825
