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水稻木聚糖合酶基因OsIRX9L、OsIRX10与OsIRX14的功能解析
DOI:
CSTR:
作者:
作者单位:

1.沈阳农业大学水稻研究所;2.辽宁依农农业科技有限责任公司

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

基金项目:

国家自然科学基金(32272174)


Functional Identification of Xylan Biosynthesis-Associated Genes OsIRX9L, OsIRX10 and OsIRX14 in Rice
Author:
Affiliation:

Fund Project:

The National Natural Science Foundation of China (General Program, Key Program, Major Research Plan)

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    摘要:

    水稻细胞壁主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶组成。其中,半纤维素约占总细胞壁组分的三分之一。木聚糖作为最主要的半纤维素多糖,在植物的生长发育中发挥重要作用。拟南芥中糖基转移酶43(GT43)和糖基转移酶47(GT47)家族被报道是木聚糖主链合成的核心酶组分。为探究水稻GT43和GT47家族基因在木聚糖主链合成中的作用,本研究以水稻为材料,对二者家族成员OsIRX9L、OsIRX10和OsIRX14进行生物信息学、基因表达、细胞壁测定和突变体表型鉴定综合研究。研究结果发现,OsIRX9L、OsIRX10、OsIRX14分别与拟南芥AtIRX9L、AtIRX10、AtIRX14蛋白在进化上高度保守同源。基因表达分析发现三个基因都在水稻次生壁组织中表达量最高,与次生壁纤维合酶基因呈共表达模式。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创建了上述基因的纯合突变体株系(osirx9l-1、osirx9l-2、osirx10-1、osirx10-2、osirx14-1、osirx14-2),组织免疫化学染色显示,与野生型相比,所有突变体的木聚糖含量均显著降低,且木糖含量也显著降低,其中osirx10突变体木聚糖和木糖含量最低。细胞壁组分测定结果表明突变体的半纤维素和纤维素含量均低于野生型,其中半纤维素减少尤为显著,同样在osirx10中下降幅度最大。农艺性状分析发现,突变体的株高和干物重均显著低于野生型。综上,本研究表明,OsIRX9L、OsIRX10、OsIRX14基因共同参与水稻木聚糖的合成过程,对细胞壁组成和植株生长发育具有重要影响,其中OsIRX10发挥主要作用。

    Abstract:

    The rice cell wall is principally composed of cellulose, hemicellulose, lignin, and pectin, among which hemicellulose constitutes for approximately one-third of the total cell wall components. Xylan, the most abundant hemicellulosic polysaccharide, plays an important role in plant growth and development. In Arabidopsis, Glycosyltransferase 43 (GT43) and Glycosyltransferase 47 (GT47) families have been characterized as core components involved in the xylan backbone biosynthesis. To investigate the functions of the GT43 and GT47 family genes in rice xylan backbone synthesis, this study conducted comprehensive research on the family members OsIRX9L, OsIRX10, and OsIRX14 using bioinformatics, gene expression analysis, cell wall composition assays, and mutant phenotype characterization. The results revealed that OsIRX9L, OsIRX10, and OsIRX14 are highly evolutionarily conserved homologs of the Arabidopsis proteins AtIRX9L, AtIRX10, and AtIRX14, respectively. Gene expression analysis indicated that these three genes exhibit higher transcript levels in tissues rich in secondary wall and showed a high co-expression pattern with CESAs required for secondary wall cellulose biosynthesis. Using CRISPR/Cas9 gene-editing technology, homozygous mutant lines (osirx9l-1, osirx9l-2, osirx10-1, osirx10-2, osirx14-1, and osirx14-2) for these genes were generated. Immunohistochemical staining assay showed that, compared to the wild-type, all mutants showed significantly reduced xylan content, as well as a marked decrease in xylose levels. Among them, the osirx10 mutants exhibited the lowest xylan and xylose contents. Cell wall composition analysis further indicated that both hemicellulose and cellulose contents were lower in the mutants than in wild-type, with a particularly significant reduction in hemicellulose. The osirx10 mutants showed the most significant decrease. Agronomic trait measurements revealed that the mutants exhibited a significant reduction in plant height and dry weight compared to wild-type. In summary, this study demonstrates that the OsIRX9L, OsIRX10, and OsIRX14 genes collectively contribute to the biosynthesis of xylan in rice, significantly influencing cell wall composition and plant growth and development. Among them, OsIRX10 plays a predominant role.

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  • 收稿日期:2025-12-29
  • 最后修改日期:2026-02-01
  • 录用日期:2026-02-10
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