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最新观点| 非典型Gγ样亚基GC1负调控高粱种子包壳性状

作者:李焕改 龙艳 

禾本科作物(包括高粱、水稻和小麦等粮食作物)的种子都具有颖壳,谷物脱粒的难易程度与种子的包壳程度密切相关,作物种子包壳性状的丧失是作物穗型驯化过程中的一个典型事件。近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗团队在Nature Communications杂志上在线发表了题为Natural variation in Glume Coverage 1 causes naked grains in sorghum”的研究论文。该团队利用遗传学、生物信息学、生物化学和分子生物学等技术手段,发现了一个控制高粱种子包壳性状的主效基GC1Glume Coverage 1,并解析了其调控高粱种子包壳程度的分子机理。

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高粱种子的包壳性状具有丰富的表型变异。作者首先通过GWAS分析和图位克隆鉴定到一个位于1号染色体上的主效基因GC1,它编码一种非典型的Gγ样亚基。GC1具有五种等位变异,除全长GC1外,其他突变皆在蛋白C端发生了自然变异(图1)。实验证明当全长GC1基因过表达时,高粱种子的包壳程度降低,脱粒效率提高;而当敲除GC1时,种子包壳程度提高,脱粒效率下降,证明全长GC1是高粱包壳性状的负调控因子。有趣的是当植物过表达GC1截短突变gc1(蛋白C端141-198位氨基酸缺失)时,种子的包壳程度明显降低,这说明蛋白C端缺失突变gc1是参与包壳性状负调控的重要因子(图2)。比较超量表达GC1和gc1的转基因植株发现,GC1和gc1在蛋白积累水平而非转录水平具有明显的差异,gc1通过减少其在26S蛋白酶体途径中的降解来增加体内蛋白积累量(图3)。在早期幼穗发育期,gc1通过抑制颖壳细胞的增殖影响种子的包壳性状。在gc1过表达植物中,Cyclin-CDK通路中与细胞增殖相关的基因表达受到抑制(图4)。

为阐明GC1调控种子包壳性状的分子机制,作者通过IP/MS分析,筛选到一种磷酸酯酶pPLAII-1,体内和体外实验均证明该酶与GC1和gc1均互作(图5)。在pPLAII-1过表达的谷子中,与细胞增殖相关的基因被上调表达,颖壳细胞数目增加。因此,SbpPLAII-1是一个颖壳细胞增殖的正调控因子(图6),gc1通过加速pPLAII-1的降解来负调控颖壳细胞的增殖(图7和图8)。作者进一步分析了全球栽培高粱中GC1不同单倍型的地理分布情况,发现由gc1调控的裸露外壳表型受到强烈的人工选择。

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该研究以高粱为研究对象,阐明了GC1调控种子包壳性状的分子机理,填补了高粱种子包壳性状分子遗传研究的空白,为以后利用基因编辑技术对GC1进行定点改造提供了理论基础。GC1蛋白序列在多种作物如谷子、小麦和大麦等中高度保守,因此该研究对其他作物的包壳性状研究具有非常重要的借鉴意义。




原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28680-3




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