华中农业大学发现一因多效基因调控植物生长发育和产量的新机制

近日，华中农业大学生命科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室水稻团队熊立仲教授课题组联合闫俊杰研究员课题组在国际期刊Nature Plants在线发表了题为“Serine protease NAL1 exerts pleiotropic functions through degradation of TOPLESS-related corepressor in rice”的研究论文，揭示了一因多效基因NAL1调控水稻生长发育及产量的分子机制。

水稻是全球重要的粮食作物之一，随着世界人口的增长，人类对粮食的需求量不断增大。根系是植物吸收水分和养分的重要器官，对水稻产量起着决定性作用。团队前期通过对水稻种质资源群体进行根系性状的全基因组关联分析，定位到一个基因NAL1，该基因也被穗粒数等产量性状所定位，是一因多效基因，但是，其一因多效的分子机制尚不清楚。

课题组通过结构生物学的方法解析了NAL1蛋白的晶体结构，发现NAL1蛋白以六聚体的形式存在，两个三聚体上下两层叠加。结构比对发现NAL1与DEG类丝氨酸蛋白酶的同源性最高，因此课题组进一步寻找NAL1的蛋白酶底物。利用免疫共沉淀联合质谱技术鉴定得到了TOPLESS家族转录共抑制子，通过体内和体外的蛋白互作实验确认了二者的互作，发现NAL1通过其C端的EAR motif模块招募结合OsTPR2。进一步通过一系列生化实验证明NAL1促进了OsTPR2的降解。课题组创建了NAL1敲除系背景下的OsTPR2的减量表达系的双突材料，表型考察显示双突材料可部分回补NAL1敲除系在根、叶片和穗上的表型。这表明NAL1的一因多效功能部分依赖于OsTPR2。为了进一步解析NAL1-OsTPR2基因模块的下游信号通路，ChIP-qPCR以及RT-qPCR显示该基因模块调控生长素和独脚金内酯信号途径基因的表达。

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NAL1在水稻育种中是否具有利用价值呢？带着这一猜想，团队成员将NAL1的优异单倍型导入到南方主栽品种黄华占，构建了导入系。表型鉴定发现导入系具有更大的根系、叶片、穗等表型，最终提高了水稻产量。

综上所述，该研究揭示了丝氨酸蛋白酶NAL1通过降解转录共抑制子OsTPR2，影响生长素和独脚金内酯信号途径基因的组蛋白乙酰化水平，进而影响这些基因的表达，最终调控水稻的生长发育以及产量。该研究为水稻育种提供了有价值的基因资源和材料。

本研究得到国家自然科学基金、洪山实验室基金以及生科院百川计划的资助，华中农业大学生命科学技术学院、作物遗传改良全国重点实验室和湖北省洪山实验室李文静博士和闫俊杰研究员为论文共同第一作者，熊立仲教授为文章通讯作者，殷平教授也参与本研究工作。

【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.

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