研究發(fā)現(xiàn)一條細(xì)胞分裂素信號(hào)通路調(diào)控水稻籽粒大小

經(jīng)典的細(xì)胞分裂素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)依賴(lài)于組氨酸受體激酶HK、組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移酶HP，以及細(xì)胞分裂素響應(yīng)因子RR中的組氨酸（H）和天冬氨酸（D）之間磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，然而這一磷酸中繼（phosphorelay）過(guò)程調(diào)控的分子機(jī)制仍有待探究。在水稻中，細(xì)胞分裂素可以顯著調(diào)控穗粒數(shù)，但對(duì)粒重或籽粒大小的調(diào)控功能尚不清楚。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員儲(chǔ)成才研究組、研究員張勁松/陳受宜研究組和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員童紅寧研究組合作發(fā)現(xiàn)，控制籽粒大小的PPKL1是細(xì)胞分裂素信號(hào)新組分，PPKL1的D364位點(diǎn)通過(guò)引誘細(xì)胞分裂素磷酸轉(zhuǎn)移蛋白AHP2上的磷酸基團(tuán)，降低從AHP2向細(xì)胞分裂素響應(yīng)因子RR21蛋白的磷酸中繼效率，抑制水稻籽粒發(fā)育。

研究人員通過(guò)大規(guī)模誘變，篩選到一個(gè)大粒突變體s48并克隆了突變體基因PPKL1，發(fā)現(xiàn)其與之前報(bào)道的控制水稻籽粒大小的基因GL3.1在同一位點(diǎn)突變，但導(dǎo)致了氨基酸的不同變化。與RR蛋白類(lèi)似，PPKL1可與AHP2蛋白直接互作，并且D364位點(diǎn)所在區(qū)域與RR蛋白的磷酸基團(tuán)接受域氨基酸組成和序列十分相似，然而D364并不能像RR蛋白一樣接收磷酸基團(tuán)。當(dāng)PPKL1-D364存在時(shí)，AHP2向RR21的磷酸中繼效率大幅降低，而D364突變后對(duì)磷酸中繼沒(méi)有影響，相應(yīng)地籽粒顯著增大。PPKL1-D364可能作為細(xì)胞分裂素信號(hào)的關(guān)鍵抑制子，避免水稻籽粒的過(guò)度發(fā)育。

水稻中PPKL家族包含三個(gè)成員，均能干擾細(xì)胞分裂素磷酸中繼信號(hào)，具有冗余功能。PPKL1-D364的突變喪失了對(duì)磷酸中繼的抑制功能，但由于突變蛋白仍占據(jù)與AHP2互作位置，從而通過(guò)顯性負(fù)調(diào)控機(jī)制組成型激活細(xì)胞分裂素信號(hào)，導(dǎo)致籽粒顯著增大。研究以水稻品種空育131為材料，對(duì)D364所在區(qū)域進(jìn)行原位基因編輯，獲得多個(gè)非移碼突變基因型，可不同程度地增大籽粒，并且與D364突變一樣均為半顯性，部分基因型可顯著增產(chǎn)。該研究中，研究人員共創(chuàng)制了千粒重從20g到38g漸次分布的水稻材料，暗示PPKL1在作物精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種中具有較大應(yīng)用潛力。

PPKL家族是油菜素內(nèi)酯主信號(hào)通路中的重要組分，其羧基端的磷酸酶區(qū)域?qū)τ筒怂貎?nèi)酯信號(hào)傳遞是必需的。D364位點(diǎn)位于氨基端，其對(duì)細(xì)胞分裂素信號(hào)的抑制并不依賴(lài)于磷酸酶活性，暗示PPKL1可能介導(dǎo)了兩大植物激素間的相互作用，為理解油菜素內(nèi)酯調(diào)控細(xì)胞分裂的功能提供了線索。PPKL家族蛋白對(duì)細(xì)胞分裂素信號(hào)抑制作用的功能位點(diǎn)隱藏在油菜素內(nèi)酯信號(hào)組分中，發(fā)掘并利用其對(duì)作物進(jìn)行分子設(shè)計(jì)改良具有應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)研究成果以A Cryptic Inhibitor of Cytokinin Phosphorelay Controls Rice Grain Size為題，在線發(fā)表在Molecular Plant上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。