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刘大普博士Molecular Plant文章:发现一条全新的细胞分裂素信号支路与水稻籽粒大小调控分子机制 精选

已有 2250 次阅读 2021-9-26 07:47 |个人分类:佳作欣赏|系统分类:科研笔记

      植物中经典的细胞分裂素信号转导依赖于组氨酸受体激酶HK,组氨酸磷酸转移酶HP,以及细胞分裂素响应因子RR中的组氨酸(H)和天冬氨酸(D)之间磷酸基团的转移,然而这一磷酸中继(phosphorelay)过程调控的分子机制仍知之甚少。在水稻中,细胞分裂素可以显著调控穗粒数,而对粒重或籽粒大小的调控功能也不清楚。

      刘大普和童红宁博士通过多年努力,惊奇的发现,控制籽粒大小的PPKL1是一个细胞分裂素信号新组分,PPKL1的D364位点通过引诱细胞分裂素磷酸转移蛋白AHP2上的磷酸基团,降低从AHP2向细胞分裂素响应因子RR21蛋白的磷酸中继效率,抑制水稻籽粒发育。

      研究人员通过大规模诱变,筛选到一个大粒突变体s48并克隆了突变体基因PPKL1,发现其与之前报道的控制水稻籽粒大小的基因GL3.1在同一位点突变,但导致了氨基酸的不同变化。与RR蛋白类似,PPKL1可与AHP2蛋白直接互作,并且D364位点所在区域与RR蛋白的磷酸基团接受域氨基酸组成和序列十分相似,然而D364并不能像RR蛋白一样接收磷酸基团。当PPKL1-D364存在时,AHP2向RR21的磷酸中继效率大幅降低,而D364突变后对磷酸中继没有影响,相应地籽粒显著增大。PPKL1-D364可能作为细胞分裂素信号的关键抑制子,避免水稻籽粒的过度发育。

      水稻中PPKL家族包含三个成员,均能干扰细胞分裂素磷酸中继信号,具有冗余功能。PPKL1-D364的突变丧失了对磷酸中继的抑制功能,但由于突变蛋白仍占据与AHP2互作位置,从而通过显性负调控机制组成型激活细胞分裂素信号,导致籽粒显著增大。以水稻品种空育131为材料,对D364所在区域进行原位基因编辑,获得多个非移码突变基因型,可不同程度地增大籽粒,且与D364突变一样均为半显性,部分基因型可显著增产。该研究中研究人员共创制了千粒重从20g到38g渐次分布的水稻材料,暗示PPKL1在作物精准设计育种中具有巨大应用潜力。

      有趣的是,PPKL家族是油菜素内酯主信号通路中的重要组分,其羧基端的磷酸酶区域对油菜素内酯信号传递是必需的。D364位点位于氨基端,其对细胞分裂素信号的抑制并不依赖于磷酸酶活性,暗示PPKL1可能介导了两大植物激素间的相互作用,为理解油菜素内酯调控细胞分裂的功能提供了线索。PPKL家族蛋白对细胞分裂素信号的抑制作用可能是一个古老的功能,其功能位点隐藏在油菜素内酯信号组分中,发掘并利用其对作物进行分子设计改良具有重大应用价值。研究结果以A Cryptic Inhibitor of Cytokinin Phosphorelay Controls Rice Grain Size为题在Molecular Plant 在线发表。

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PPKL1工作机制的竞争抑制模型


Liu D, Zhao H, Xiao Y, Zhang G, Cao S, Yin W, Qian Y, Yin Y, Zhang J, Chen S, Chu C, Tong H (2021) A cryptic inhibitor of cytokinin phosphorelay controls grain size. Molecular Plant. doi: 10.1016/j.molp.2021.09.010.



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