OsBRK1通过磷酸化OsPFN2调控水稻减数分裂纺锤体肌动蛋白组装与育性的分子机制

本研究针对植物减数分裂中纺锤体肌动蛋白（spindle actin）组装的调控机制这一科学问题，通过遗传学、细胞生物学和生化手段，揭示了水稻OsBRK1激酶通过磷酸化OsPFN2（profilin蛋白）调控OsRMD（formin蛋白）介导的纺锤体肌动蛋白组装，从而影响纺锤体形态建成和染色体分离的分子通路。该研究首次在植物中阐明了纺锤体肌动蛋白的组装调控机制，为作物雄性不育的分子设计提供了新靶点。

　　

在植物有性生殖过程中，减数分裂纺锤体的正确组装对染色体精确分离至关重要。虽然纺锤体微管的作用已被广泛研究，但近年来在哺乳动物和果蝇卵母细胞中发现，纺锤体肌动蛋白（spindle actin）作为纺锤体的重要组分，对基因组稳定性具有关键作用。然而，植物中是否存在类似结构？其组装机制如何调控？这些问题长期悬而未决。更令人困惑的是，纺锤体肌动蛋白的动态变化如何与经典的纺锤体组装检查点（SAC）调控网络协同作用？这些问题的解答对理解植物生殖发育和作物遗传改良具有重要意义。

中国农业科学院作物科学研究所和南京农业大学的研究团队在《Plant Communications》发表的研究成果，首次在水稻花粉母细胞（PMCs）中证实了纺锤体肌动蛋白的存在，并解析了其组装调控的分子机制。研究人员通过CRISPR/Cas9基因编辑、活细胞成像、蛋白质互作分析和体外生化实验等关键技术，发现肌动蛋白结合蛋白OsPFN2与formin家族蛋白OsRMD形成功能模块，共同调控纺锤体肌动蛋白的组装。更引人注目的是，研究揭示了纺锤体检查点相关激酶OsBRK1通过磷酸化OsPFN2的Thr21/Thr97/Ser100位点，精细调控actin-OsPFN2复合物被OsRMD利用的效率，从而控制纺锤体形态建成。

研究首先通过荧光标记和三维成像技术，在水稻PMCs中观察到肌动蛋白纤维与纺锤体微管共定位形成的桶状结构（barrel-shaped structure），明确其存在于减数分裂I期的早中期至后期。通过构建OsPFN2基因敲除突变体，发现Ospfn2-1突变体表现出纺锤体肌动蛋白密度降低、纺锤体结构松散（长度缩短23%、宽度增加18%）和染色体分离错误等表型，导致雄性不育。

酵母双杂交筛选发现OsPFN2与纺锤体检查点激酶OsBRK1互作。体外磷酸化实验结合质谱分析证实，OsBRK1特异性磷酸化OsPFN2的Thr21/Thr97/Ser100位点。有趣的是，虽然磷酸化模拟突变体OsPFN2^{T21D/T97D/S100D}
仍能结合肌动蛋白单体，但其与OsRMD的互作强度降低42%-65%，导致OsRMD无法有效利用这些磷酸化修饰的actin-OsPFN2复合物进行肌动蛋白成核。遗传互补实验显示，非磷酸化突变体OsPFN2^{T21A/T97A/S100A}
仅能部分恢复Ospfn2-1突变体的纺锤体缺陷，证实磷酸化修饰的功能重要性。

研究还发现，OsBRK1敲除突变体表现出相反的纺锤体表型——纺锤体肌动蛋白密度增加31%，纺锤体变得更细长（长度增加15%）。这与formin家族蛋白OsRMD缺失导致的纺锤体缺陷形成鲜明对比，说明OsBRK1-OsPFN2-OsRMD模块通过"刹车-油门"机制精确调控纺锤体肌动蛋白的组装动态。

该研究首次在植物中建立了从纺锤体检查点激酶到细胞骨架重构的完整调控通路：OsBRK1通过磷酸化OsPFN2，控制actin-OsPFN2复合物被OsRMD利用的效率，从而调节纺锤体肌动蛋白的组装水平。这一发现不仅拓展了对植物减数分裂调控的认识，还为作物雄性不育系的创制提供了新的分子靶点——通过调控OsBRK1激酶活性或OsPFN2磷酸化状态，可能实现对花粉育性的精确操控。研究揭示的"激酶-细胞骨架"协同调控机制，也为理解其他真核生物（包括人类）减数分裂异常导致的生殖障碍提供了新视角。