研究揭示水稻E3泛素連接酶通過二元調控類受體激酶穩態塑造水稻高產理想穗型的分子機制

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心與西北農林科技大學合作，揭示了水稻E3泛素連接酶家族SINARs通過二元調控類受體激酶OsER1穩態塑造水稻高產理想穗型的分子機制，并通過特異性敲除該家族中一類特殊的兼具拮抗功能的關鍵節點基因SINAR1和SINAR6，打破了水稻產量性狀之間的偶聯性，為作物高產育種提供了新的分子模塊和思路。

研究通過篩選類受體激酶OsER1胞內激酶結構域的互作蛋白，鑒定到水稻SINA泛素連接酶家族，并命名為SINARs。該家族包含6個成員（SINAR1—6），具有保守的RING結構域，均能對OsER1進行K63位泛素化。亞細胞和生化實驗證實，SINARs均能夠靶向OsER1促使其通過多囊泡體介導的液泡途徑降解。在此基礎上，研究鑒定了該家族成員基因的表達模式，并利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，在粳稻中花11背景下通過敲除SINAR1、SINAR2、SINAR3、SINAR4、SINAR5和SINAR6等基因，獲得了一系列不同基因功能缺失突變體。這些突變體在不同程度上影響水稻每穗粒數和粒型大小等產量性狀。研究考察不同突變組合的雙突、三突和四突表型發現，SINAR1和SINAR6基因負向協同性調控水稻每穗粒數，而SINAR2、SINAR3、SINAR4和SINAR5基因則正向冗余性調控水稻每穗粒數。

研究考慮到OsER1基因對水稻每穗粒數的負向調節功能，推測SINAR1和SINAR6與SINAR2、SINAR3、SINAR4和SINAR5在調控OsER1蛋白穩態方面可能存在拮抗作用。酵母雙雜交實驗證明，SINARs家族成員之間可以相互作用形成同源和異源二聚體。研究發現，SINAR1和SINAR6可以通過形成異源二聚體抑制SINAR2、SINAR3、SINAR4和SINAR5介導的OsER1泛素化與降解，表明SINAR1和SINAR6可能是SINARs家族中一類特殊的兼具拮抗功能的E3泛素連接酶。

遺傳上位性分析表明，SINARs基因家族位于OsER1的上游發揮功能，從而調控下游的MAPK級聯信號。研究考察不同突變組合的產量性狀發現，由于促進OsER1類受體激酶降解的同時未破壞其基因功能，因此在SINAR1和SINAR6雙突體中降低了OsER1的豐度，從而在增加穗粒數的同時未降低結實率。在粳稻品種中花11背景下，SINAR1和SINAR6基因雙突的單株產量提高了約67.9%；高產秈稻品種豐矮占1號背景下，單株產量提高了約29.2%、小區測產相較于豐矮占1號增產約11.7%。這表明，通過特異性敲除兼具拮抗抑制功能的E3泛素連接酶SINAR1和SINAR6可以打破水稻產量性狀之間的偶聯性，從而優化水稻穗型結構，塑造高產的理想穗型。

這一研究揭示了E3泛素連接酶家族SINARs通過調控類受體激酶OsER1泛素化與穩態控制作物花序形態建成的分子遺傳機理，并發現了泛素化介導植物類受體激酶液泡降解的二元調控機制。研究同時提出了通過特異性敲除關鍵結點基因SINAR1和SINAR6克服了復雜性狀之間的偶聯和權衡效應的分子設計思路，為未來作物分子設計育種奠定了理論基礎并提供了新的基因資源。

相關研究成果在線發表在《分子植物》（Molecular Plant）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、農業生物育種國家科技重大專項等的支持。

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