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2024年11月11日，海南大學/崖州灣國家實驗室羅杰教授團隊在《Molecular Plant》（IF=17.1）發表了題為“Volatilome-based GWAS identifies OsWRKY19 and OsNAC021 as key regulators of rice aroma”的研究論文，該研究成功發現了水稻香氣的關鍵調控因子OsWRKY19和OsNAC021，并借助DAP-seq等技術解析了水稻香味的遺傳調控機制。

研究背景

香米因其特殊的香味而受到全球的青睞，這不僅增加了其營養價值，而且提高了其經濟價值。然而，除了2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）外，香氣的代謝基礎尚不清楚，香氣代謝物積累的遺傳基礎在很大程度上也是未知的。

研究結果

本研究使用固相微萃取-氣相色譜-質譜（SPME-GC-MS）、香味評分和分子對接等方法，對204個水稻核心種質進行揮發組學分析。研究發現2-AP和脂肪酸衍生的揮發性代謝物（FAVs）對稻米香味的貢獻極為顯著。

圖1. 香味物質鑒定

研究顯示，大米香味特征分子機制的研究主要集中在甜菜堿醛脫氫酶2（OsBADH2）上。OsBADH2基因內的許多突變可以將非香米品種轉變為有香味的品種。作者通過基因組與揮發組關聯分析（vGWAS），鑒定到除OsBADH2外，另一個新的顯著位點OsAROMA1（OsWRKY19）。并且，OsWRKY19的3’端下游轉座子區域的自然變異與2-AP含量具有顯著相關性。

圖2. 通過vGWAS分析水稻籽粒2-AP含量的新變異

為了進一步探究OsWRKY19的調控機制，作者進行了DNA親和純化測序（DAP-seq）。兩個重復分別鑒定出42,870和43,190個結合位點，其中有41,768個共享的目標基因重疊。OsWRKY19的結合位點富集在靶基因轉錄起始位點附近，主要分布在遠端基因間區和外顯子區域。Motif分析發現OsWRKY19主要富集的核心序列是“TTGACC/T”，并發現OsWRKY19可以結合在OsBADH2啟動子。雙熒光素酶報告實驗和電泳遷移率變動分析（EMSA）結果顯示，OsWRKY19可直接結合到OsBADH2啟動子并抑制其活性。同時，OsWRKY19-OE株系表現出較好的農藝性能。以上結果表明OsWRKY19負調控OsBADH2增加2-AP含量。

圖3. OsWRKY19正調控2-AP生物合成和農藝性狀

此外，通過vGWAS分析，作者還發現與FAVs（己醛、辛醛、2-辛烯醛和1-庚醇）含量相關的基因位點共定位在OsAROMA2（OsNAC021）上。該基因編碼區的Indel與FAVs含量顯著相關，并且含有高FAVs含量的單倍型在水稻群體中經歷了自然選擇。

圖4. 鑒定與水稻FAV含量相關的共定位位點

通過構建轉基因材料，結合RNA測序（RNA-seq）、KEGG富集分析、酵母單雜交（Y1H），雙熒光素酶報告實驗等方法，發現OsAROMA2（OsNAC021）能夠直接與LOX途徑的OsADH1、OsADH2和OsLOX9基因的啟動子區域結合，并抑制這些基因的活性，從而負調控游離芳香族化合物（FAVs）的積累。

圖5. OsNAC021負調控FAV生物合成

圖6. OsNAC021負調控LOX通路基因的表達

進一步的麻雀自由取食實驗表明，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含量的香稻籽粒進行取食。這些結果為香稻品種的遺傳改良和香味品質的提升提供了新的研究方向和策略。