水稻團(tuán)隊(duì)揭示水稻粒型調(diào)控新網(wǎng)絡(luò)
谷粒大小和重量是水稻產(chǎn)量構(gòu)成的主要性狀之一，還對(duì)水稻的品質(zhì)有重要影響。2月27日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》在線發(fā)表了題為“A G-protein pathway determines grain size in rice（G蛋白調(diào)控途徑?jīng)Q定水稻粒型）”的研究論文。GS3是控制水稻粒長(zhǎng)效應(yīng)最大也是最重要的基因，研究結(jié)果闡明了GS3所在的G蛋白復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)參與粒型與粒重調(diào)控的協(xié)同互作機(jī)制。我校博士研究生孫生遠(yuǎn)為該論文的第一作者，張啟發(fā)教授與歐陽亦聃教授為共同通訊作者。
水稻產(chǎn)量由有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和粒重這三個(gè)要素決定，而粒型是粒重的決定因素。不同水稻品種在粒型上存在很大差異，因此粒型是非常重要的產(chǎn)量性狀、外觀品質(zhì)性狀，以及作物馴化和人工育種的目標(biāo)性狀。GS3是國(guó)際上分離的禾本科植物的首個(gè)粒型基因，該基因是水稻粒型的負(fù)調(diào)控因子，早在2006年由張啟發(fā)教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并克隆，2010年進(jìn)一步在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）解析了GS3的功能機(jī)制，其編碼蛋白N端含有一個(gè)植物特有的器官大小調(diào)控區(qū)，是GS3發(fā)揮功能的關(guān)鍵。
最新的研究發(fā)現(xiàn)，水稻G蛋白α、β和γ亞基均參與水稻種子大小的協(xié)同調(diào)控。水稻中共存在三個(gè)非典型G蛋白γ亞基GS3、DEP1和GGC2，它們由于蛋白C端結(jié)構(gòu)域的變異導(dǎo)致其功能分化。其中DEP1和GGC2的C端結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)G蛋白的信號(hào)傳導(dǎo)，其功能的發(fā)揮依賴G蛋白β亞基RGB1和α亞基RGA1。GS3在G蛋白信號(hào)途徑中扮演剎車的作用：通過N端結(jié)構(gòu)域競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RGB1，從而抑制DEP1/GGC2的下游信號(hào)，進(jìn)而負(fù)調(diào)控粒長(zhǎng)和粒重；通過C端結(jié)構(gòu)域調(diào)節(jié)自身蛋白的穩(wěn)定性，從而準(zhǔn)確控制參與競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RGB1的GS3蛋白水平，達(dá)到對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的精確調(diào)控。
基于三個(gè)Gγ蛋白的協(xié)同互作方式和調(diào)控機(jī)制，可以對(duì)GS3、DEP1以及GGC2的不同等位基因組合進(jìn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)粒長(zhǎng)從降低35%到增加19%，粒重從降低40%到增加28%范圍內(nèi)不同程度的精準(zhǔn)調(diào)控，提高水稻的外觀品質(zhì)和產(chǎn)量，對(duì)水稻的遺傳改良具有重要的利用價(jià)值。本研究發(fā)現(xiàn)的G蛋白調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在禾本科作物中高度保守，可應(yīng)用于玉米、小麥、高粱和小米等多種禾谷類作物的產(chǎn)量和品質(zhì)改良。此外，G蛋白正向信號(hào)途徑在雙子葉植物也同樣保守，可用于馬鈴薯、番茄和大豆等雙子葉作物的遺傳改良和育種。
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