了解调节粮食产量的分子机制对于提高农业生产力非常重要，粮食产量是一个复杂的数量性状，由植物的各种基因调控和遗传途径决定。泛素化级联途径涉及泛素激活酶(E1)、泛素结合酶(E2)和泛素连接酶(E3)。泛素化途径可通过调节目标蛋白在蛋白酶体的降解、调节蛋白稳定性和定位来控制谷物产量，一些参与谷物产量控制的泛素相关蛋白已被鉴定。
谷子(Setaria italica) (粟/小米)属于禾本科，是东亚重要的谷类作物，由于其形态和遗传特征，与其野生祖先狗尾草(Setaria viridis)可一起作为理想的研究模型。本研究使用谷子作为实验系统，鉴定了一种RING型E3连接酶SGD1及其E2伴侣SiUBC32，SGD1泛素化油菜素甾醇受体BRI1，使其稳定并促进植物生长。
病症介绍
1. 谷物籽粒产量相关突变基因的鉴定
图1. 谷子sgd1-1和sgd1-2突变体的表型。(a–c)野生型Yugu1 (a)、突变体sgd1-1 (b)和突变体sgd1-2 (c)的生长状况。(d)圆锥花序表型。(e、f)粒宽和粒长表型。(g)穗长、每穗粒数和千粒重统计。(h)粒长和粒宽统计。(i)树脂切片观察。(j)扫描电镜观察。(k)成熟种子中长轴和短轴的细胞长度、细胞宽度和细胞数量统计。
2. RING型E3泛素连接酶SGD1在调节谷子的籽粒产量中至关重要
图2. SGD1的功能表征分析。(a) SGD1的基因结构及sgd1-1和sgd1-2中的突变位点。(b)野生型、敲除株和表型挽救株的生长表型。(c)成熟种子表型。(d)圆锥花序表型。(e)扫描电镜分析。(f)千粒重、粒长宽、细胞长宽、细胞数统计。(g-j)亚细胞定位分析。(k) SGD1在不同生长阶段器官中的表达水平。
3. SGD1在禾本科主要作物中的功能保守
图3. SGD1调节主要谷类作物的产量。(a)创制水稻OsSGD1-CRISPR编辑植株。(b-d)野生型和突变体水稻植株的圆锥花序，成熟籽粒和每穗粒数、百粒重、粒长和粒宽。(e)创制小麦TaSGD1-CRISPR编辑植株。(f)野生型和突变体小麦植株的圆锥花序，成熟籽粒和穗长、重量、每穗粒数、百粒重、粒长和粒宽。
4. SiUBC32直接与SGD1互作并调节谷物产量
为进一步研究SGD1的功能，作者分别使用亚细胞共定位、酵母双杂交筛选、体外GST Pull-down、荧光素酶互补实验、共免疫沉淀(Co-IP)实验鉴定得到SGD1与SiUBC32在体内体外相互作用(图4a-e)。作者通过泛素化活性检测发现SiUBC32-SGD1是功能性E2-E3泛素酶配对伴侣(图4f)，并使用CRISPR-Cas9系统创制了Siubc32和Siubc32/sgd1突变体。Siubc32突变体相比WT，表现出矮化表型、较短的圆锥花序和较小的籽粒尺寸，同sgd1表型类似(图4g-i)；Siubc32/sgd1双突变体对植物生长发育表现出显著的抑制作用，与每个单突变体相比，双突变体在所有研究的性状中表现出更严重的减少(图4g-k)。其中株高、叶长和圆锥花序长度的减少量远大于每个单突变体，表明这两个基因在调节这三个性状方面发挥加性作用。而对于与谷物产量相关的性状，包括千粒重、粒长和粒宽，在双突变体中的减少仅略大于每个单突变体中的减少，表明SGD1和SiUBC32在调节粮食产量方面具有部分重叠的功能。因此作者认为SGD1至少部分地与SiUBC32通过共同的遗传途径来控制谷物产量相关性状。
图4. SiUBC32直接与SGD1互作并调节谷物产量。(a) SGD1和SiUBC32的亚细胞定位。(b) Y2H分析。(c) Pull-Down分析。(d)荧光素酶互补实验。(e) Co-IP分析。(f) SGD1的E3连接酶活性测定。(g)野生型(WT)、sgd1、Siubc32和sgd1/Siubc32的生长表型。(h-k)圆锥花序表型、籽粒表型、扫描电镜分析和穗长、千粒重、粒长、粒宽、细胞长宽表型统计。
5. SGD1参与BR信号传导
图5. sgd1突变体对BR的敏感性降低。(a-b)野生型和sgd1的刚毛表型。(c-e) WT和sgd1中叶对BR处理响应的表型。(f -g) WT和sgd1的根生长表型。(h) WT-BL/WT、dpy1/WT和sgd1/WT植物中DEG与BZR1靶标重叠的数量和靶基因表达模式的热图。(j-k) qRT-PCR分析。
6. SGD1与BRI1互作并有助其稳定
图6. SGD1与SiBRI1互作并增强SiBRI1蛋白稳定性。(a)荧光素酶互补实验。(b) Y2H。(c) Pull-Down。(d) Co-IP。(e-j) SiBRI1泛素化水平检测。(k–p) SiBRI1蛋白丰度检测。(q-s) WT、sgd1、BRI1/sgd1的生长表型。
7.过表达SGD1的优产单倍型可提高谷子的产量
图7. SGD1在驯化中的筛选改良与谷物产量的提高相关。(a-d)依据固定指数(Fst)进行全基因组选择性扫描分析。(e-f)单倍型分析统计。(g–k)野生型、sgd1、OE-SGD1H1表型分析。
期刊：Nature Communications
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