宋献军研究组揭示HDR3–GW6a模块调控水稻籽粒大小的新机制

　　撰文 | HY（RES）

　　近日，The Plant Cell在线发表了中国科学院植物研究所植物分子生理学重点实验室宋献军研究组题为“The ubiquitin-interacting motif-type ubiquitin receptor HDR3 interacts with and stabilizes the histone acetyltransferase GW6a to control grain size in rice”的研究论文。该研究发现含有泛素互作基序的泛素受体HOMOLOGUE OF DA1 ON RICE CHROMOSOME 3（HDR3）以泛素依赖性方式结合并稳定组蛋白乙酰转移酶GRAIN WEIGHT 6a（GW6a），从而共同调控水稻籽粒大小。

　　

　　研究背景

　　籽粒大小是决定水稻产量的重要农艺性状之一，并受多个数量性状位点（QTLs）的调控，其中就包括编其他片码组蛋白乙酰转移酶的GRAIN WEIGHT 6a（GW6a），它是籽粒大小和水稻产量的正调控因子。但是，目前对于GW6a依赖性调控网络还是未知的。拟南芥中的泛素受体DA1通过限制细胞增殖期来调控种子和器官大小。泛素受体通过泛素互作基序（UIMs）与E3泛素连接酶的泛素化蛋白底物互作，并促进其通过26S蛋白酶体的降解。然而，尚不清楚DA1家族成员同源基因是否以及如何调控水稻籽粒大小。

　　研究结果

　　通过酵母双杂筛选及互作验证发现，GW6a与位于水稻3号染色体的DA1同源基因编码蛋白HDR3互作。与对照相比，HDR3过表达植株籽粒的粒长、粒宽和粒重明显增加。相反，利用CRISPR/Cas9技术获得的hdr3-1和hdr3-2突变体籽粒较小且轻，表明HDR3是水稻籽粒大小和粒重的正调控因子。荧光观察显示，HDR3定位于细胞质和细胞核。为解析HDR3介导籽粒大小调控的潜在细胞学基础，通过扫描电镜观察发现，HDR3对粒度的调控主要源于细胞数量的增加，而非细胞大小的改变，表明HDR3可能参与细胞增殖的调控。

　　体外泛素化结合实验表明，HDR3为具有泛素结合活性的泛素受体，并且UIMs是决定HDR3结合能力的关键基序。进一步通过泛素化免疫共沉淀检测发现，HDR3过表达增强了GW6a的泛素化。奇怪的是，HDR3过表达株系中GW6a的蛋白水平较对照明显增加。与HDR3共表达后，GW6a蛋白的降解明显减缓。鉴于GW6a是一种活性组蛋白H4乙酰转移酶，蛋白水平检测显示，GW6a与HDR3共转化情况下的H3和H4乙酰化水平明显提高（图1）。

　　

　　图1. HDR3稳定并提高了GW6a的组蛋白乙酰转移酶活性

　　遗传关系分析显示，hdr3-1/GW6a-OE-1株系产生的籽粒大小与GW6a过表达株系相似，并近乎回补了hdr3突变体的较小籽粒表型。因此，HDR3很可能与GW6a在同一遗传通路发挥功能，并作用于GW6a上游（图2）。此外，通过转录组比较分析以及染色体免疫共沉淀实验发现，HDR3和GW6a通过与下游基因启动子结合来共同对其进行表达调控。

　　

　　图2. HDR3作用于GW6a上游，并共同调控籽粒大小和粒重

　　一图解文

　　HDR3作为UIM型活性泛素受体，与籽粒大小（粒长）正调控因子GW6a互作，以此提高GW6a泛素化水平（K63连接的多聚泛素链），减缓了26S蛋白酶体对该蛋白的降解，从而促进细胞分裂和小穗颖壳大小，随后增加籽粒灌浆速率，并最终增加籽粒大小（粒长）和粒重。

　　

　　图3. HDR3-GW6a模块调控水稻籽粒大小和粒重的通路模型

　　

　　研究组成员合照

　　原文链接：

　　https://academic.oup.com/plcell/advance-article-abstract/doi/10.1093/plcell/koab194/6330630?redirectedFrom=fulltext

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