近日，華中農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院、作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室水稻團隊熊立仲教授課題組聯(lián)合閆俊杰研究員課題組在國際期刊Nature Plants在線發(fā)表了題為“Serine protease NAL1 exerts pleiotropic functions through degradation of TOPLESS-related corepressor in rice”的研究論文，揭示了一因多效基因NAL1調(diào)控水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量的分子機制。
水稻是全球重要的糧食作物之一，隨著世界人口的增長，人類對糧食的需求量不斷增大。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，對水稻產(chǎn)量起著決定性作用。團隊前期通過對水稻種質(zhì)資源群體進行根系性狀的全基因組關(guān)聯(lián)分析，定位到一個基因NAL1，該基因也被穗粒數(shù)等產(chǎn)量性狀所定位，是一因多效基因，但是，其一因多效的分子機制尚不清楚。
課題組通過結(jié)構(gòu)生物學的方法解析了NAL1蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)NAL1蛋白以六聚體的形式存在，兩個三聚體上下兩層疊加。結(jié)構(gòu)比對發(fā)現(xiàn)NAL1與DEG類絲氨酸蛋白酶的同源性最高，因此課題組進一步尋找NAL1的蛋白酶底物。利用免疫共沉淀聯(lián)合質(zhì)譜技術(shù)鑒定得到了TOPLESS家族轉(zhuǎn)錄共抑制子，通過體內(nèi)和體外的蛋白互作實驗確認了二者的互作，發(fā)現(xiàn)NAL1通過其C端的EAR motif模塊招募結(jié)合OsTPR2。進一步通過一系列生化實驗證明NAL1促進了OsTPR2的降解。課題組創(chuàng)建了NAL1敲除系背景下的OsTPR2的減量表達系的雙突材料，表型考察顯示雙突材料可部分回補NAL1敲除系在根、葉片和穗上的表型。這表明NAL1的一因多效功能部分依賴于OsTPR2。為了進一步解析NAL1-OsTPR2基因模塊的下游信號通路，ChIP-qPCR以及RT-qPCR顯示該基因模塊調(diào)控生長素和獨腳金內(nèi)酯信號途徑基因的表達。
NAL1在水稻育種中是否具有利用價值呢？帶著這一猜想，團隊成員將NAL1的優(yōu)異單倍型導(dǎo)入到南方主栽品種黃華占，構(gòu)建了導(dǎo)入系。表型鑒定發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入系具有更大的根系、葉片、穗等表型，最終提高了水稻產(chǎn)量。
綜上所述，該研究揭示了絲氨酸蛋白酶NAL1通過降解轉(zhuǎn)錄共抑制子OsTPR2，影響生長素和獨腳金內(nèi)酯信號途徑基因的組蛋白乙酰化水平，進而影響這些基因的表達，最終調(diào)控水稻的生長發(fā)育以及產(chǎn)量。該研究為水稻育種提供了有價值的基因資源和材料。
本研究得到國家自然科學基金、洪山實驗室基金以及生科院百川計劃的資助，華中農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院、作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北省洪山實驗室李文靜博士和閆俊杰研究員為論文共同第一作者，熊立仲教授為文章通訊作者，殷平教授也參與本研究工作。
【英文摘要】
NARROW LEAF 1 (NAL1) is a breeding-valuable pleiotropic gene that affects multiple agronomic traits in rice, although the molecular mechanism is largely unclear. Here, we report that NAL1 is a serine protease and displays a novel hexameric structure consisting of two ATP-mediated doughnut-shaped trimeric complexes. Moreover, we identified TOPLESS-related corepressor OsTPR2 involved in multiple growth and development processes as the substrate of NAL1. We found that NAL1 degraded OsTPR2, thus modulating the expression of downstream genes related to hormone signalling pathways, eventually achieving its pleiotropic physiological function. An elite allele, NAL1A, which may have originated from wild rice, could increase grain yield. Furthermore, the NAL1 homologues in different crops have a similar pleiotropic function to NAL1. Our study uncovers a NAL1–OsTPR2 regulatory module and provides gene resources for the design of high-yield crops.
今天就先給大家介紹到這里，希望大家的科研能有所幫助！祝您科研順利快樂！
生信漫談
生信漫談，認識生信，學習生信，跨越生信入門路上的障礙，從而利用生信技術(shù)解決科研學習路上的絆腳石！
