陕西
20世纪60年代，小麦矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的利用显著提高了小麦抗倒伏能力和收获指数，从而大幅度提高了粮食产量，引发著名的“绿色革命”，缓解了全球范围内由于人口剧增引发的粮食危机。Rht-B1b和Rht-D1b等位基因通过重新启动翻译产生N端截断的DELLA蛋白，由于缺乏完整的DELLA基序而变得稳定，导致株高降低。
近日，中国农业科学院作物科学研究所孙加强/孔秀英团队合作在Plant Cell在线发表了题为GSK3 Phosphorylates and Regulates the Green Revolution Protein Rht-B1b to Reduce Plant Height in Wheat的研究论文，该研究利用正向遗传学方法克隆了小麦矮秆基因GSK3，该基因编码GSK3/SHAGGY蛋白激酶，通过小麦转基因和分子生物学方法研究，揭示了GSK3通过磷酸化小麦绿色革命蛋白Rht-B1b来降低株高的分子机制，为小麦株型遗传改良提供了新思路。
该团队前期构建了偃展4110为遗传背景的小麦甲基磺酸乙酯 （EMS） 突变体库。从中筛选到一个矮秆、叶片直立生长的小麦突变体gsk3。遗传分析表明gsk3的矮秆性状由一个半显性等位基因控制。作者通过BSE-Seq的方法，克隆到一个功能获得性gsk3基因，该基因编码区中一个SNP变异导致TREE结构域中第286位氨基酸由E突变为K （TREK） ，从而增加了编码蛋白稳定性。gsk3突变体表现出对植物激素BR不敏感表型，表明GSK3参与调控小麦BR信号转导途径。
进一步研究发现GSK3激酶可以与小麦绿色革命蛋白Rht-B1b相互作用并磷酸化Rht-B1b。通过一系列人工突变方法， 最终鉴定到位于Rht-B1b蛋白N端的磷酸化位点S92，S135，S136；同时，蛋白质谱分析证明S135和S136是GSK3识别的磷酸化位点。Rht-B1b磷酸化位点突变后不影响其和GSK3的物理互作。为了探究GSK3磷酸化对Rht-B1b生物学功能的影响，作者构建了Rht-B1b-OE和Rht-B1b3A-OE转基因小麦材料。GSK3介导的磷酸化可以增强Rht-B1b蛋白的活性， 进而促进Rht-B1b降低小麦株高的生物学功能， 甚至抑制胚芽鞘的伸长。此外， 为了遗传学上证明gsk3基因导致的小麦矮秆表型是否需要DELLA蛋白，将gsk3基因转入拟南芥DELLA缺失突变体中，发现GSK3介导的生长抑制作用依赖于DELLA蛋白的生物学功能。
进一步研究发现Rht-B1b可以抑制下游转录因子对靶基因的激活作用，而Rht-B1b3A的抑制功能减弱。为了研究Rht-B1b对下游基因表达谱的影响，作者提取Rht-B1b-OE和Rht-B1b3A-OE转基因小麦胚芽鞘的RNA，进行转录组测序。分析发现一些细胞伸长相关基因在Rht-B1b-OE转基因小麦中表达水平显著降低，但是在Rht-B1b3A-OE转基因小麦中降低程度减弱。此外，半体内蛋白降解试验表明GSK3介导的磷酸化还可能增加了Rht-B1b蛋白的稳定性。
综上，该工作是小麦绿色革命分子基础研究的一个重要进展，揭示了Rht-B1b的磷酸化调控机制：Rht-B1b蛋白不仅需要逃避GA诱导的蛋白降解，还需要GSK3介导的磷酸化来增强其活性和稳定性，促进其降低小麦株高的生物学功能。
小麦绿色革命蛋白Rht-B1b磷酸化调控的工作模型
中国农科院作科所已毕业博士董慧雪（现就职于四川农业大学）和在读博士生李丹萍为共同第一作者，中国农业科学院作科所孙加强和孔秀英研究员为共同通讯作者。本研究得到国家自然基金，中央级公益性科研院所基本科研业务费专项以及中国农科院农科英才和科技创新工程的资助。
https://doi.org/10.1093/plcell/koad090
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