中国科学院植物研究所宋献军课题组揭示不同的翻译后修饰协作调控水稻种子大小的新机制

news2024/10/6 1:44:18

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未来20年，我国将决战全面建成社会主义现代化国家，人们生活水平不断改善；这一国情决定我们未来农业的发展，既要高产稳产提高粮食安全，又要满足不断增长的优质粮需求。水稻是我国的主粮作物。籽粒大小决定稻米的产量和品质。

在先前的研究中，中国科学院植物研究所宋献军研究组克隆了一个编码组蛋白乙酰化酶的基因GRAIN WEIGHT 6a (GW6a)，正向调控水稻籽粒大小（粒长）和单株产量。目前对于GW6a依赖的籽粒大小调控的基因网络还不清楚。

近日，该研究组在Nature Communications上发表了题为OsMAPK6 phosphorylation and CLG1 ubiquitylation of GW6a non-additively enhance rice grain size through stabilization of the substrate的研究论文，揭示了OsMAPK6和CLG1能够分别对GW6a蛋白进行磷酸化和泛素化的修饰协作调控水稻种子大小的新机制。

该研究利用酵母双杂交文库筛选方法，鉴定到和验证了两个已知的水稻籽粒大小正调控因子OsMAPK6和CLG1。进一步地，生物化学方面的实验证据表明，OsMAPK6和CLG1能够分别对GW6a蛋白进行磷酸化和泛素化的修饰。意想不到的是，这些翻译后修饰都增加了GW6a的蛋白稳定性，这与已报道的OsMAPK6和CLG1生化效应截然不同。其中有意思的是，鉴定到的两个主要GW6a磷酸化位点（丝氨酸142和苏氨酸186）在水稻籽粒大小调控中发挥重要作用。

此外，遗传学实验证据表明，存在分子模块OsMAPK6-GW6a和CLG1-GW6a非加性地正调控水稻籽粒大小。这种非加性的调控方式也在对下游基因的表达调控和对GW6a蛋白的稳定调控中得到证实。

染色质调节剂GW6a (GRAIN WEIGHT 6a)能提高水稻的籽粒大小和产量。然而，对其决定晶粒大小的基因网络知之甚少。在这里，我们报道了丝裂原活化蛋白激酶6 (OsMAPK6)和E3连接酶长李庚1 (CLG1)分别与GW6a相互作用并靶向GW6a磷酸化和泛素化。然而，出乎意料的是，体外和体内实验表明，这两种翻译后修饰都能稳定GW6a。此外，我们发现了OsMAPK6靶向的两个主要GW6a磷酸化位点(丝氨酸142和苏氨酸186)在调节晶粒大小中起重要作用。此外，我们的遗传和分子结果表明，OsMAPK6-GW6a和CLG1-GW6a轴是至关重要的，并以非加性的方式控制晶粒尺寸。总的来说，这些研究结果确定了一种以前未知的机制，通过磷酸化和泛素化非加和性地稳定GW6a来增加颗粒大小，并揭示了这些翻译后修饰在水稻颗粒发育过程中的相关性和相互作用。

综上所述，该研究揭示了不同翻译后修饰协作调控水稻种子大小的新机制，为更加深入地探索作物种子大小的分子调控机理和遗传网络提供了新的视角，也为改良作物相关农艺性状提供了新思路。

该研究成果于2024年5月21日在线发表于国际知名学术期刊Nature Communications。中国科学院植物研究所已毕业博士研究生白琛、王高婕，以及在读博士研究生丰晓慧、助理研究员高琼为论文共同第一作者，宋献军研究员为本文的通讯作者。该研究得到了科技创新2030重大项目，中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的资助。