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蛋白質(zhì)加上了新“裝備”——種子大小的調(diào)控新策略 | 芳蘭葳蕤

媒體:原創(chuàng)  作者:國家植物園
專業(yè)號:國家植物園 2024/12/24 13:17:50

種子的大?。寒a(chǎn)量構(gòu)成要素

有關(guān)水稻種子“大小的事兒”是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“大事兒”。種子(谷粒)的“大”或“小”是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,關(guān)乎我們的飯碗是否可以牢牢端穩(wěn)。簡單來說,種子的“大”與“小”直接關(guān)系到我們能不能吃飽——在一定程度上,水稻的谷粒越大,產(chǎn)量就越高。

水稻的產(chǎn)量主要是由3部分組成:穗的數(shù)量、每一穗的粒數(shù)和每粒的重量。而每粒的重量則是由種子的大小決定的。谷粒大小的遺傳力非常高,受環(huán)境的影響則較小,在作物育種改良實踐中一直備受關(guān)注。

調(diào)控“裝備”升級:蛋白翻譯后修飾

植物的絕大多數(shù)性狀都是由基因決定的。近二十多年來,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有四、五十個基因通過編碼各種類型的蛋白質(zhì)參與到水稻谷粒大小的調(diào)控通路中。

為了讓蛋白質(zhì)的功能更加強大和多樣化,并精準地響應細胞的指令,很多重要的蛋白質(zhì)需要“裝備升級”,這個過程就是“蛋白翻譯后修飾”。

“蛋白翻譯后修飾”是指基因表達出蛋白質(zhì)后,經(jīng)過酶催化反應在其氨基酸殘基上添加特定的化學基團(化學修飾),常見的修飾包括磷酸化、甲基化、乙?;榷喾N類型,每種類型都具備特定的功能和調(diào)控機制,能夠讓蛋白質(zhì)更好地適應細胞內(nèi)的環(huán)境,執(zhí)行特定任務,并可以根據(jù)需要進行添加或者移除。

磷酸化:在蛋白質(zhì)上加上磷酸基團,改變蛋白質(zhì)的活性和命運,影響蛋白質(zhì)在細胞內(nèi)的定位。

泛素化:幫助細胞識別哪些蛋白質(zhì)需要“清理”掉,就是被降解。

乙?;涸诘鞍踪|(zhì)上添加乙?;鶊F,激活其他基因的表達,調(diào)節(jié)細胞的各種活動。

比如種子大小的調(diào)控基因GW2和CLG1,表達出一種叫做E3泛素連接酶的蛋白質(zhì),能夠分別對調(diào)控籽粒大小的蛋白——WG1和GS3,進行泛素化修飾,進而降解這兩種蛋白,改變谷粒的大小。

讓水稻谷粒變大的一種蛋白質(zhì)——蛋白激酶OsMAPK6,能夠讓另一個稱為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白OsWRKY53產(chǎn)生磷酸化修飾,這種修飾也導致了OsWRKY53的加速降解。

增大水稻谷粒的組蛋白乙?;窯W6a,可以讓組蛋白產(chǎn)生乙?;揎棧せ钇渌虻谋磉_。

合作共贏,還是相互牽制?

“裝備”升級的蛋白質(zhì),功能是否也會升級?在谷粒大小的調(diào)控中,當一個蛋白擁有不同“裝備”后,是否能夠讓蛋白質(zhì)的技能更強、更好地執(zhí)行任務,還是削弱它的“戰(zhàn)斗力”?科學家們對“蛋白修飾后翻譯”的機制更感興趣了。

科研人員利用此前發(fā)現(xiàn)的一個潛在的水稻增產(chǎn)基因——GW6a,試圖找到能對GW6a進行“改造”的蛋白質(zhì)。通過一系列科學研究手段,發(fā)現(xiàn)OsMAPK6和CLG1這2個調(diào)控谷粒大小的蛋白質(zhì),都能與GW6a結(jié)合在一起,這種結(jié)合讓GW6a同時擁有了2個“裝備”:OsMAPK6對GW6a進行的磷酸化修飾,和CLG1對GW6a的泛素化修飾。更加有意思的是,這兩種“改造”并沒有使GW6a降解,降低它的蛋白水平,反而讓它更穩(wěn)定!

OsMAPK6和CLG1對GW6a的磷酸化和泛素化非加性地增加了GW6a的穩(wěn)定性

為了弄清楚這種機制的工作模式,研究團隊通過傳統(tǒng)的遺傳雜交手段,獲得了含有OsMAPK6、CLG1和GW6a不同雜交組合的水稻材料,發(fā)現(xiàn)和兩兩基因組合的水稻材料相比,3個基因聚合的水稻材料并沒有更大的優(yōu)勢,谷粒大小沒有明顯增加。

進一步研究也發(fā)現(xiàn),雖然OsMAPK6、CLG1、GW6a單獨使用都能讓谷粒變大,但一起使用時,效果并沒有OsMAPK6和CLG1分別與GW6a組合時更強。這表明,磷酸化、泛素化和乙酰化修飾之間存在著復雜的關(guān)系,“裝備”也需要精心搭配,才能在“調(diào)控谷粒大小”這場拉鋸戰(zhàn)中獲得勝利??茖W家們也正在努力解開這個“搭配法則”。

TGW3對HHC4的磷酸化修飾增加HHC4泛素化水平,降低其蛋白穩(wěn)定性

研究團隊還發(fā)現(xiàn)組蛋白乙酰化酶的一個新成員——HHC4,能夠增加水稻的谷粒大小。和GW6a能同時獲取“裝備”不同,HHC4能夠與蛋白激酶TGW3相互結(jié)合,先獲得一個“磷酸化”裝備,然后再自身產(chǎn)生一個“泛素化”裝備。過程機制雖然還需要進一步探索,但讓人驚喜的是,經(jīng)過多年、多點的田間測產(chǎn)實驗,科研人員發(fā)現(xiàn)提高HHC4的表達水平,水稻可以顯著地增產(chǎn)16%以上。

結(jié)    語

蛋白翻譯后修飾的新機制是一個復雜的過程,科學家們正在探索如何搭配組合和升級,力求達到最佳效果。通過這些科學研究,科學家們一步一步地解鎖了水稻谷粒大小調(diào)控的“秘籍”,慢慢地揭示了提高作物產(chǎn)量的新途徑和基因資源,未來也會帶來更多的驚喜!

參考資料:

1.Bai C.#, Wang G.J.#, Feng X.H.#, Gao Q.#, Wang W.Q., Xu R., Guo S.J., Shen S.Y., Ma M., Lin W.H., Liu C.M., Li Y.H., and Song X.J.* (2024) OsMAPK6 phosphorylation and CLG1 ubiquitylation of GW6a non-additively enhance rice grain size through stabilization of the substrate. Nat. Commun., 15: 4300.

2.Shen S.Y., Ma M., Bai C., Wang W.Q., Zhu R.B., Gao Q., and Song X.J.* (2024) Optimizing rice grain size by attenuating phosphorylation-triggered functional impairment of a chromatin modifier ternary complex. Developmental Cell, 59: 448–464.

3.Yang, W. et al. (2021) The RING E3 ligase CLG1 targets GS3 for degradation via the endosome pathway to determine grain size in rice. Mol. Plant 14, 1366–1713.

4.Liu, S. et al. (2015) OsMAPK6, a mitogen-activated protein kinase, influences rice grain size and biomass production. Plant J. 84, 672–681.

5.Song, X. et al. (2015) Rare allele of a previously unidentified histone H4 acetyltransferase enhances grain weight, yield, and plant biomass in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 76–81.

6.Ying, J.Z., Ma, M., Bai, C., Huang, X.H., Liu, J.L., Fan, Y.Y., and Song, X.J. (2018) TGW3, a Major QTL that Negatively Modulates Grain Length and Weight in Rice. Mol. Plant 11, 750–753.

審核 | 宋獻軍

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