揭示 GS2-SUG1 模块调控水稻粒型和粒重的分子机制，为作物改良提供关键靶点

为探究转录因子 GS2 调控水稻粒型的机制，研究人员开展了 GS2 修饰因子的遗传筛选。结果发现 SUG1 基因，其突变体短粒，过表达则长粒。该研究揭示了 GS2-SUG1 模块调控粒型的机制，为作物改良提供潜在靶点。

　　水稻，作为全球重要的粮食作物，其产量与人类的粮食安全息息相关。水稻产量主要由单株分蘖数、每穗粒数和粒重决定，而粒型（包括粒长、粒宽等）是影响粒重及外观品质的关键因素。在植物中，虽然已经发现了多条控制种子大小的信号通路，如 MAPK 信号通路、G 蛋白信号通路等，在水稻中也鉴定出了一些能改良粒型的重要因子，但水稻粒型调控的遗传和分子机制仍有待深入挖掘。就像在黑暗中摸索宝藏，虽然已经有了一些线索，但距离真正找到宝藏的核心秘密还有很长的路要走。在此背景下，为了更深入地理解水稻粒型调控的机制，中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在基因定位方面，运用 MutMap 方法对 SUG1 基因进行定位；通过 CRISPR/Cas9 技术构建了 SUG1 的功能缺失突变体 sug1_cr。同时，利用免疫沉淀结合质谱（IP-MS）技术鉴定与 SUG1 相互作用的蛋白质；采用染色质免疫沉淀（ChIP）、电泳迁移率变动分析（EMSA）等技术探究基因间的调控关系。此外，研究还涉及大量的遗传杂交实验以及对水稻多种组织的形态学和细胞学分析。

研究结果如下：

1. sug1-1 和 sug1-2 抑制 GS2¹⁴的粒长表型：研究人员从诱变群体中分离出 sug1-1 和 sug1-2 突变体，它们分别抑制了粳稻品种 ZH11-GS2 和籼稻品种 HZ-GS2 的粒长和穗长表型，且粒型变宽。这一发现暗示 SUG1 基因可能在 GS2 调控粒型的过程中起着重要作用。
2. SUG1 基因的鉴定：通过 MutMap 方法确定了 SUG1 基因即 LOC_Os07g42410。遗传互补实验表明，将含有该基因编码序列和启动子的质粒转入 sug1-1 ZH11-GS2 突变体后，其粒型、株高和穗长等表型得到恢复。SUG1 编码的蛋白质含有 BTB/POZ-like 结构域、三个卷曲螺旋结构域和一个潜在的核定位信号，在拟南芥中的同源蛋白为 CIP7，但其在水稻粒型调控中的机制此前并不清楚。
3. SUG1 的表达模式和亚细胞定位：qRT-PCR 分析和 GUS 报告基因实验显示，SUG1 在水稻的根、茎、叶和穗中均有表达，且在幼穗和颖壳中表达较强。亚细胞定位实验表明，SUG1 蛋白定位于细胞核和细胞质中，这为其可能作为转录调节因子或辅助因子发挥作用提供了线索。
4. SUG1 通过影响细胞扩张调节粒型：sug1 单突变体（如 sug1-1、sug1-2 和 sug1_cr）的粒长显著缩短，粒宽和粒厚增加，粒重降低，植株和穗长也变短。细胞学分析发现，sug1_cr粒型变化主要是由于颖壳细胞在纵向方向上的长度减小，而细胞数量不变，在横向方向上细胞宽度增加，这表明 SUG1 主要通过影响细胞扩张来调控粒型。
5. SUG1 过表达形成长粒：将 proACTIN:SUG1 载体导入 ZH11 品种后，转基因植株的粒长显著增加，粒重也明显提高，说明 SUG1 在水稻粒长和粒重调控中起正向调节作用。
6. GS2 和 OsGIF1 与 SUG1 遗传互作调控粒长：遗传分析表明，sug1-1 部分抑制 ZH11-GS2 的粒长表型，且 sug1-1 对 GS2 在粒型调控上具有上位性效应。同时，SUG1 和 OsGRF3/4 在粒长调控上功能部分重叠。此外，SUG1 与 OsGIF1 在调控粒型上也存在功能重叠，sug1_cr对 OsGIF1-OE 在粒型调控上具有上位性效应。这一系列结果表明，GS2、OsGIF1 和 SUG1 在调控粒型的过程中存在密切的遗传关系。
7. GS2 直接结合 SUG1 启动子区域激活其表达：研究发现，ZH11-GS2^AA和 OsGIF1-OE 中 SUG1 的转录水平显著上调。ChIP-qPCR、EMSA 和转录激活实验表明，GS2 能直接结合 SUG1 启动子中的 ACAGTC 序列，激活其表达，且 OsGIF1 能增强 GS2 对 SUG1 启动子的激活作用，说明 SUG1 是 GS2 在粒型调控中的直接靶基因。
8. SUG1 与多个转录因子相互作用：IP-MS 实验鉴定出 33 个与 SUG1 相互作用的转录因子，包括 MADS、SPL、MYB 等类型。通过荧光素酶互补实验、免疫共沉淀实验和体外 pull-down 实验进一步证实了 SUG1 与 OsSPL13、OsBZR1、OsMADS56 等转录因子的相互作用。这些结果表明，SUG1 可能作为转录调节因子或辅助因子，与不同转录因子协同调控水稻的生长发育过程。
9. SUG1 与 OsSPL13 相互作用调控粒长：SUG1 与 OsSPL13 在体内外均能相互作用，且 SUG1 能增强 OsSPL13 的转录激活活性。遗传实验表明，sug1_cr突变抑制了 proACTIN:OsSPL13 转基因植株的长粒表型，说明 OsSPL13 调控粒长依赖于功能正常的 SUG1。
10. SUG1 与 OsBZR1 相互作用并参与 BR 响应：SUG1 与 OsBZR1/2/3/4 均能相互作用，重点研究发现 SUG1 与 OsBZR1 在体内外均有相互作用。sug1_cr突变体对油菜素内酯（BL）的敏感性降低，且 BR 生物合成和信号转导相关基因的表达发生变化，表明 SUG1 参与 BR 响应，可能通过与 OsBZR1 及其家族成员相互作用来调控粒型和 BR 响应。
11. SUG1 与 OsMADS56 相互作用并参与 GA 响应：SUG1 与 OsMADS56 在体内外均能相互作用，且 SUG1 能增强 OsMADS56 的转录激活活性。sug1_cr突变体对赤霉素（GA₃）的敏感性降低，GA 生物合成和信号转导相关基因的表达也发生改变，说明 SUG1 参与 GA 响应，可能通过与 OsMADS56 相互作用来影响粒型和 GA 响应。
12. SUG1 的核苷酸多态性和选择特征：对野生稻和栽培稻中 SUG1 基因区域的核苷酸多态性分析发现，栽培稻中 SUG1 基因区域的核苷酸多样性低于野生稻，且籼稻和粳稻群体间存在明显的分化。单倍型分析表明，SUG1^Hap2在籼稻品种的选育中可能被选择用于增加粒长，而在粳稻品种中利用潜力巨大。将来自籼稻品种 9311 的 SUG1^Hap2等位基因导入粳稻品种 ZH11 后，能显著增加粒长和产量。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了 GS2-SUG1 模块调控水稻粒型的分子机制。SUG1 作为转录调节因子，位于 GS2 和 OsGIF1 的下游，是 GS2 的直接靶基因。SUG1 通过与多个转录因子（如 OsSPL13、OsBZR1、OsMADS56）相互作用，整合油菜素内酯（BR）、赤霉素（GA）等植物激素信号和生长信号，调控水稻颖壳细胞的扩张，进而控制粒型和粒重。此外，研究还发现 SUG1 基因区域在水稻驯化过程中受到选择，SUG1^Hap2等位基因具有改良粳稻品种粒型和产量的潜力。这一研究为水稻及其他作物的遗传改良提供了重要的理论基础和潜在的分子靶点，有助于推动作物育种技术的发展，提高作物产量，保障全球粮食安全。