学术研究报告：水稻G蛋白γ亚基DEP1通过MYB–bHLH–ARF模块促进油菜素内酯信号传导的分子机制

一、研究团队与发表信息

本研究由Shuai Li、Zhichao Zhao等（中国农业科学院作物科学研究所作物基因资源与育种国家重点实验室）领衔，联合南京农业大学、中山生物育种实验室等团队完成，于2025年发表在*Oxford University Press*旗下期刊（美国植物生物学家学会会刊）。通讯作者为Qibing Lin、Zhijun Cheng和Jianmin Wan。

二、学术背景与研究目标

科学领域：植物激素信号转导与作物株型调控。
背景知识：
1. 油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）是一类调控植物生长发育的关键激素，影响水稻叶片夹角（leaf inclination）和籽粒大小。
2. 异源三聚体G蛋白（Gα、Gβ、Gγ）在动植物中广泛参与信号转导，但其与BR信号的关联机制尚不明确。
3. 此前研究发现，G蛋白γ亚基DEP1（Dense and Erect Panicle 1）能通过调控氮响应影响水稻株型，但其是否参与BR信号通路尚未阐明。

研究目标：揭示DEP1如何通过MYB–bHLH–ARF模块整合G蛋白与BR信号通路，从而调控水稻叶片夹角。

三、研究流程与方法

1. 遗传材料构建与表型分析

• 材料：以水稻品种Kitaake为背景，构建DEP1敲除（dep1-1/2）、过表达（dep1-OE）及OsMYB86、BU1、ILI1、IBH1等基因的突变体和过表达株系。
  
• 表型检测：
  
  • 叶片夹角：成熟期测量旗叶与茎秆夹角，发现dep1突变体叶片直立，过表达株系夹角增大（图1A-B）。
    
  • BR敏感性：通过外源BR（2,4-表油菜素内酯）处理，发现dep1突变体对BR响应减弱，过表达株系敏感性增强（图1E-F）。
    

2. DEP1的核定位机制

• 实验方法：
  
  • 水稻原生质体和烟草叶片中表达DEP1-GFP，结合BR处理或共表达GNA（Grain Number Associated，BR信号正调控因子）。
    
  • 结果：BR通过GNA促进DEP1入核（图2）。BR缺陷突变体brd1中DEP1核定位消失，而共表达GNA可恢复其核定位（图2C-E）。
    

3. DEP1与OsMYB86的互作及功能验证

• 互作验证：
  
  • 酵母双杂交（Y2H）和双分子荧光互补（BiFC）证实DEP1与R2R3-MYB转录因子OsMYB86直接结合（图3A-D）。
    
• 遗传关系：
  
  • dep1-OE/osmyb86-3双突变体叶片夹角恢复为osmyb86-3表型，表明DEP1依赖OsMYB86发挥作用（图6A-D）。
    

4. OsMYB86调控BU1表达的分子机制

• ChIP-seq与EMSA：
  
  • OsMYB86直接结合BU1启动子区域（含[C/T]NGTT[G/T]核心序列），激活其表达（图5D-F）。
    
  • BU1（一种HLH蛋白）过表达可挽救osmyb86突变体的直立叶表型（图5G-J）。
    

5. BU1–ILI1–IBH1模块调控下游基因

• 互作网络：
  
  • BU1与bHLH蛋白ILI1（促进BR响应）和IBH1（抑制BR响应）相互作用（图7A-C）。
    
  • 亚细胞定位：ILI1促进BU1从细胞质向核内转运（图8H-L）。
    
  • 转录调控：IBH1直接抑制OsARF11（调控BR与生长素串扰的基因）表达，而BU1/ILI1复合体拮抗IBH1的抑制作用（图8C-G）。
    

6. 数据整合与模型构建

• RNA-seq与GO分析：DEP1、GNA和BU1共享大量差异表达基因（DEGs），富集于激素响应通路（附图S19）。
  
• 工作模型（图9）：
  BR→GNA→DEP1入核→OsMYB86激活BU1→BU1/ILI1拮抗IBH1→解除OsARF11抑制→促进叶片倾斜
  

四、研究结果与结论

1. DEP1是BR信号的正调控因子：其缺失导致BR敏感性降低，而过表达增强BR响应。
   
2. BR通过GNA促进DEP1核定位，进而与OsMYB86形成转录复合体激活BU1表达。
   
3. BU1–ILI1–IBH1模块通过调控OsARF11整合BR与生长素信号，最终影响叶片夹角。
   

科学价值：
- 首次揭示G蛋白γ亚基DEP1连接G蛋白与BR信号通路的分子机制，填补了二者互作研究的空白。
- 提出MYB–bHLH–ARF转录级联模型，为作物株型改良（如高密度种植适宜株型）提供新靶点。

应用潜力：通过调控DEP1或下游基因（如BU1、OsARF11）可定向设计水稻株型，提高光合效率和产量。

五、研究亮点

1. 创新性发现：
   
   • 阐明DEP1依赖GNA入核的BR依赖性机制。
     
   • 解析BU1非DNA结合型HLH蛋白通过蛋白互作调控转录的新模式。
     
2. 方法学创新：
   
   • 结合ChIP-seq、EMSA和原生质体定位技术，多维度验证蛋白互作与转录调控。
     
3. 理论突破：
   
   • 提出G蛋白与BR信号交叉调控的完整通路，拓展了植物激素信号转导的理论框架。
     

六、其他重要内容

• DEP1功能保守性：其同源基因在拟南芥中可能具有类似作用，未来可跨物种验证。
  
• 技术局限性：DEP1蛋白在转基因植株中难以检测，需进一步优化蛋白稳定性研究方法。