14-3-3蛋白GmSMS6通过调控bZIP转录因子稳定性协调大豆种子重量与品质的分子机制

《Nature Communications》：A 14-3-3 modulator of seed weight and quality for unlocking the yield potential of soybean

本研究针对大豆种子重量调控机制不清的瓶颈问题，系统解析了14-3-3蛋白GmSMS6通过协同E3泛素连接酶GmUBQ1和转录因子GmbZIP151形成调控模块，精细调控种子大小的分子通路。研究发现敲除GmSMS6可显著提高种子重量和蛋白质含量，为大豆产量和品质协同改良提供了新靶点。该成果为作物驯化遗传基础解析和分子设计育种提供了重要理论支撑。

　　

大豆作为全球最重要的油料作物之一，为人类提供了丰富的植物蛋白和食用油。随着人口持续增长和消费需求升级，到2050年全球大豆产量需要翻倍才能满足需求。然而与水稻、小麦和玉米等主要作物相比，大豆产量的提升速度明显滞后，这使其成为育种改良的重要目标。种子重量作为作物产量的关键组成部分，在大豆驯化过程中显著增加，但其分子调控机制仍不清楚。虽然已有数百个与种子重量/大小相关的数量性状位点（QTL）被鉴定，但仅有少数因果基因得到功能验证。

近日发表在《Nature Communications》的一项研究，首次揭示了一个调控大豆种子重量的关键基因GmSMS6，它编码一个14-3-3蛋白，通过协调转录因子GmbZIP151的活性和稳定性，成为调控种子大小的分子开关。这项研究不仅阐明了14-3-3蛋白在种子发育中的新功能，还为大豆高产优质育种提供了有前景的分子靶点。

研究人员利用图位克隆技术，结合CRISPR/Cas9基因编辑、蛋白互作分析和细胞生物学等方法，系统解析了GmSMS6的生物学功能和作用机制。

GmSMS6负调控大豆种子重量

研究团队首先通过乙基甲磺酸（EMS）诱变筛选获得一个小种子突变体sms6。与野生型相比，sms6植株种子长度、宽度和厚度均显著减小，百粒重明显降低。通过图位克隆，研究人员将目标基因定位在2号染色体上一个308.5kb的区间，并确定Glyma.02G208700为候选基因，将其命名为GmSMS6。

为验证GmSMS6的功能，研究团队在Zp661和Jack背景下利用CRISPR/Cas9技术敲除该基因，发现敲除系种子长度、宽度、厚度和单株产量均显著增加，而其他农艺性状无显著变化。相反，过表达GmSMS6导致种子重量和大小减小，其中GmSMS6^A（sms6等位基因）的过表达效应比GmSMS6^G（野生型等位基因）更强，表明GmSMS6^A是一个功能增强的突变。

细胞学观察发现，sms6突变体成熟子叶细胞大小显著减小，而细胞数量仅轻微减少。类似地，GmSMS6敲除系细胞面积增加而细胞数量不变，过表达系则呈现相反趋势。这些结果表明GmSMS6主要通过抑制细胞扩张来调控种子大小。

GmSMS6与GmbZIP151和GmUBQ1的相互作用

GmSMS6编码一个14-3-3蛋白，该蛋白在各种组织和器官中组成型表达。研究人员通过酵母双杂交（Y2H）筛选发现，GmSMS6与bZIP转录因子GmbZIP151和RING型E3泛素连接酶GmUBQ1发生物理互作。

G和GmSMS6^A）与GmbZIP151的互作。b免疫共沉淀分析GmSMS6与GmbZIP151的互作。c双分子荧光互补实验评估GmSMS6^G和GmSMS6^A与GmbZIP151的互作。d Pull-down实验验证互作。e酵母双杂交实验证明GmSMS6与GmUBQ1的互作'>

进一步实验表明，GmUBQ1具有E3泛素连接酶活性，能够介导GmbZIP151的泛素化和降解。有趣的是，GmSMS6本身不能被GmUBQ1泛素化，但它与GmUBQ1的相互作用会减弱GmUBQ1对GmbZIP151的泛素化作用。特别值得注意的是，GmSMS6^A与GmUBQ1的相互作用比GmSMS6^G更强，对GmbZIP151泛素化的抑制作用也更显著。

GmSMS6协调GmbZIP151的稳定性和转录活性

研究发现，GmSMS6不仅能保护GmbZIP151免受泛素化降解，还能增强其转录激活活性。RNA-seq分析鉴定出139个受GmSMS6调控的差异表达基因，其中包括已知正调控种子重量的GmSTO5基因。

实验证实GmbZIP151能直接结合GmSTO5启动子中的ABA响应元件（ABRE），抑制其转录。GmSMS6通过增强GmbZIP151的稳定性和转录活性，进一步强化这种抑制作用。当GmSMS6与GmUBQ1共存时，GmSMS6^A能更有效地保护GmbZIP151，导致更强的转录抑制活性。

遗传互作验证调控通路

为验证GmSMS6、GmbZIP151和GmUBQ1的遗传关系，研究人员构建了单突变体和双突变体。GmbZIP151敲除系种子重量增加，表明其作为种子重量的负调控因子。GmUBQ1敲除系种子重量减小，支持其正调控作用。双突变体分析显示，GmSMS6与GmbZIP151以加性方式调控种子重量，而与GmUBQ1则部分通过共同通路发挥作用。

自然变异与育种潜力

进化分析显示，GmSMS6在大豆驯化过程中受到了选择。主要单倍型GmSMS6^Hap1在栽培大豆中频率显著增加，与较重种子重量相关。有趣的是，尽管GmSMS6完全敲除能显著提高种子产量，但在现有大豆资源中未发现功能缺失等位型，表明该基因在驯化过程中可能受到了保守选择。

研究人员还发现，GmSMS6^Hap1与GmbZIP151^C的单倍型组合与最重种子重量相关，但在栽培大豆中仅占9.3%，显示出巨大的育种潜力。田间试验表明，GmSMS6敲除系比野生型增产6.7%-12.3%，且蛋白质含量提高4.0%-12.4%，虽然油分含量降低了2.3%-14.5%。

A和GmbZIP151^C的百粒重。f比较G.max中不同单倍型组合的百粒重'>

本研究首次揭示了一个由14-3-3蛋白GmSMS6、E3泛素连接酶GmUBQ1和转录因子GmbZIP151组成的调控模块，该模块通过协调转录激活活性和蛋白稳定性来精细调控大豆种子大小。GmSMS6作为分子枢纽，平衡GmUBQ1介导的泛素化降解和GmbZIP151的转录活性，从而控制下游靶基因表达和细胞扩张进程。

这项研究的创新性在于首次将14-3-3蛋白的功能与大豆种子重量调控联系起来，并阐明了其通过协调泛素化和转录活性来精细调控种子发育的分子机制。研究发现的GmSMS6调控通路不仅加深了对大豆驯化遗传基础的理解，也为通过分子设计育种实现大豆产量和品质的协同提升提供了新策略。特别是GmSMS6完全敲除能稳定提高种子产量而不影响其他农艺性状，使其成为大豆遗传改良的有力靶点。