水稻穗型调控新机制：SP3与DEP1协同调控APO2表达塑造穗结构

这篇研究揭示了水稻穗型发育的关键分子机制，发现Dof家族转录因子短穗蛋白3(SP3)通过与G蛋白γ亚基DEP1互作，调控异常穗组织蛋白2(APO2)的表达水平，从而影响花序分生组织(IM)活性。研究通过CRISPR/Cas9基因编辑、酵母双杂交(Y2H)和染色质免疫沉淀(ChIP-qPCR)等技术，首次阐明SP3-DEP1-APO2分子模块通过细胞膜-核穿梭机制协调穗分枝数目的新途径，为水稻高产育种提供了重要靶点。

　　

穗型发育的分子调控机制

穗结构是决定水稻产量的核心因素，其形态主要由分生组织活性决定。研究发现短穗突变体sp3表现出显著减小的花序分生组织(IM)和初级分枝分生组织(PBM)尺寸，但生殖转换时序未受影响。通过动态观察发现，sp3-cri-3突变体在短日照处理10天后，IM面积较野生型(WT)减少约40%，表明SP3通过调控分生组织细胞增殖而非发育时序来影响穗结构。

SP3与DEP1的互作网络

酵母双杂交筛选发现SP3特异性结合DEP1的C端半胱氨酸富集域(DEP1^Cys-rich2)。双分子荧光互补(BiFC)和荧光素酶互补(LCI)实验证实，二者在细胞核内相互作用。有趣的是，当SP3与DEP1共表达时，DEP1的膜定位比例从84%降至24%，说明SP3能促进DEP1从质膜向核内转运。截断实验显示，DEP1的Gγ-like结构域含核定位信号，而Cys-rich2域具有强膜锚定特性。

APO2的转录调控机制

在APO2启动子区-561至-517bp处鉴定到关键顺式元件(A/T)AAAG。电泳迁移率变动分析(EMSA)显示，SP3-GST融合蛋白可特异性结合该元件，而DEP1-MBP能抑制这种结合活性。双荧光素酶报告系统证实，SP3对APO2启动子的激活效应较对照增强3.2倍，而突变顺式元件后活性降低61%。在0.1-0.2cm幼穗中，dep1突变体APO2表达量较WT升高2.3倍，印证了DEP1对SP3转录激活的抑制作用。

遗传互补与表型拯救

通过构建sp3/apo2双突变体发现，其穗长和分枝数与单突变体无显著差异，表现为遗传上位性。而在sp3背景下过表达APO2，可使次级分枝数从12.3个恢复至18.7个（WT为19.2个），穗粒数从78粒增至135粒（WT为142粒）。值得注意的是，dep1突变体表现出"密穗"表型，其穗粒密度较WT增加35%，而sp3/dep1双突变体的表型介于二者之间，说明DEP1通过拮抗SP3调控穗型发育。

分子模块的生物学意义

该研究提出SP3-DEP1-APO2调控模块的工作模型：在野生型中，核内SP3与DEP1互作抑制DEP1膜定位，适度抑制APO2表达维持正常穗型；sp3突变导致DEP1滞留膜上，APO2表达不足使穗分枝减少；dep1突变则解除对SP3的抑制，导致APO2过表达形成密穗。该发现不仅解析了G蛋白γ亚基参与转录调控的新机制，还为分子设计育种提供了SP3-DEP1-APO2这一可操作靶点模块。

技术方法的创新性

研究整合了多组学技术：

1. 1.

   利用CRISPR/Cas9构建了sp3、dep1、apo2的单双突变体系列

2. 2.

   通过原生质体瞬时表达系统量化蛋白亚细胞定位变化

3. 3.

   采用ChIP-qPCR精确定位SP3在APO2启动子的结合区域

4. 4.

   建立原生质体双荧光素酶报告系统量化转录调控效应

这些技术路线为植物发育生物学研究提供了范式参考。