水稻NHL结构域蛋白LG2与FUWA互作通过油菜素内酯信号通路协同调控株型与粒大小的分子机制

为解决水稻株型与粒大小协同调控的育种难题，四川农业大学团队发现NHL结构域蛋白Large Grain 2（LG2）与FUWA互作，通过稳定LG2蛋白并调控油菜素内酯（BR）信号通路，影响高尔基体囊泡运输与细胞增殖/扩展。该研究为作物高产育种提供了新靶点，发表于《Rice》。

　　

研究背景与意义
水稻的株型（包括株高、分蘖数和穗结构）和粒大小（粒长、粒宽和粒厚）是决定产量的关键性状。油菜素内酯（Brassinosteroid, BR）作为一类植物激素，通过调控细胞伸长、分裂和分化来影响这些性状。然而，如何利用BR相关基因的多效性进行作物改良，仍是当前研究的难点。NHL结构域（以NCL-1、HT2A和LIN-41蛋白命名）在生物发育中高度保守，但在植物中的功能研究甚少。此前，水稻中仅报道过一个NHL结构域蛋白FUWA参与穗型和粒重调控，其分子机制尚不明确。

研究方法
研究团队利用EMS诱变库筛选到一个大粒突变体lg2，通过MutMap定位和CRISPR/Cas9基因敲除验证了LG2的功能。采用酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）和免疫共沉淀（Co-IP）技术解析LG2与FUWA的互作机制，结合高尔基体标记蛋白Man1-RFP和透射电镜（TEM）观察亚细胞定位及结构变化。通过24-表油菜素内酯（24-epiBL）处理及BR合成基因表达分析，阐明LG2在BR信号通路中的作用。

研究结果

1. LG2调控株型与粒大小的表型分析
   lg2突变体表现出株高降低、分蘖数减少和穗长缩短，同时粒宽增加18.03%、粒长减少6.21%。细胞学分析表明，粒宽增加源于横向细胞数量增多，而粒长缩短由外胚乳细胞长度减少导致。CRISPR敲除株LG2-KO1/KO2重现了lg2表型，证实LG2为关键调控因子。

2. LG2的分子特性与亚细胞定位
   LG2编码含NHL结构域的高尔基体定位蛋白，其突变导致高尔基体片层结构紊乱和囊泡分布异常（图1J）。TEM显示突变体中高尔基体堆叠异常，囊泡聚集在堆叠末端，暗示LG2参与维持高尔基体结构与囊泡运输。

3. LG2与FUWA的协同调控机制
   Y2H和BiFC证实LG2与FUWA直接互作（图1K-L），且FUWA通过增强LG2-eGFP荧光信号和蛋白丰度（图1M-O）稳定LG2蛋白。两者共定位于高尔基体，形成功能模块。

4. LG2参与BR信号通路的证据
   lg2和LG2-KO对24-epiBL敏感性降低（图1P-U），BR合成基因（D11、DWF4等）反馈性上调（图S7），且BR中间体（6-脱氧油菜素内酯等）含量升高（图S8），表明LG2通过影响BR信号传导调控发育。

结论与意义
该研究首次揭示NHL结构域蛋白LG2与FUWA通过物理互作和蛋白稳定化，协同调控水稻株型与粒大小的分子机制。LG2可能通过高尔基体囊泡运输影响BR受体OsBRI1的膜定位，从而调节BR信号传导。研究为利用BR通路改良作物提供了新靶点，拓展了NHL结构域蛋白在植物中的功能认知。

创新点

1. 发现LG2-FUWA模块通过BR通路协同调控水稻产量性状；
2. 揭示NHL结构域蛋白在植物囊泡运输中的新功能；
3. 提出高尔基体-囊泡运输与BR信号交叉调控的新模型。

应用前景
LG2作为BR信号的新组分，其等位变异可应用于高产、耐密植水稻品种设计，助力"绿色革命2.0"。