Nature Plants | 西北农林科技大学、兰州大学等合作揭示水稻NAL1蛋白酶提高水稻产量的新机制

责编 | 王一

高产一直是水稻育种的主要目标之一。水稻NAL1（NARROW LEAF1）基因在水稻叶片形态形成中发挥关键作用，对叶片形态和水稻产量具有多方面的影响。据文献报道，它可以影响水稻极性生长素的运输能力【1】，还可以通过提高羧化效率调节水稻的光合作用速率【2】；NAL1基因编码的蛋白为丝氨酸蛋白酶，利用NAL1蛋白酶介导的蛋白水解活性，可以有效降低水稻体内转录因子FRIZY PANICLE（FZP）的蛋白水平，提高栽培水稻的二级分枝数量和产量【3】。更重要的是，来自粳稻的NAL1等位基因可以显著提高籼稻品种的产量【4,5】，但是对于NAL1分子作用机制了解的匮乏严重阻碍了其在遗传育种方面的应用。

4月10日，西北农林科技大学生命科学学院生物大分子结构及功能团队，兰州大学物理科学与技术学院、兰州大学电镜中心雷东升教授团队和法国里昂高等师范学院（Ecole Normale Superieure de Lyon）Stephane Rety教授等合作在国际权威学术期刊Nature Plants在线发表了题为The catalytic triad of rice NARROW LEAF1 involves H234的研究论文，揭示了NARROW LEAF1（NAL1）蛋白酶提高水稻产量的分子机制。

该研究利用结构生物学（X射线晶体衍射和冷冻电镜三维重构）、生物化学和分子生物学等研究手段，鉴定了NAL1蛋白酶的活性中心—催化三联体（the catalytic triad）的位点组成，与之前报道不同，H234而不是H233，与残基D291和S385一起构成NAL1的催化三联体。阐明了籼稻NAL1蛋白的第233位精氨酸残基直接作用于催化三联体的第291位天冬氨酸，导致催化三联体变构，进而影响NAL1的蛋白水解活性。此外，还发现了第233位残基在调节NAL1的蛋白水解活性方面发挥了关键作用，NAL1的蛋白水解活性可以根据233位残基的性质进行自动调节。以上发现揭示了NAL1提高水稻产量的分子机制，为理解NAL1功能的分子机制提供了新的见解，并为利用NAL1基因提高作物产量的育种计划提供了精准靶点。

论文第一署名单位为西北农林科技大学，生命科学学院生物大分子团队已毕业博士生黄凌云、高级实验师刘娜女和副教授陈伟飞为论文共同第一作者，兰州大学物理科学与技术学院/兰州大学电镜中心雷东升教授和法国里昂高等师范学院Stephane Rety教授为论文共同通讯作者。西北农林科技大学生命科学学院侯锡苗教授，法国巴黎萨克雷大学（Université Paris-Saclay）Philippe Fossé和Olivier Mauffret教授，西北农林科技大学生命科学学院生物大分子团队实验师艾霞和李海红，兰州大学物理科学与技术学院已毕业硕士生张泽林参与了该项研究。论文中特别感谢了西北农林科技大学生命科学学院陈坤明教授的帮助。该研究得到了国家自然科学基金、Centre national de la recherche scientifique Laboratoire International Associé和中央高校基本科研业务费专项资金资助。

参考文献

1. Qi, J., Qian, Q., Bu, Q., Li, S., Chen, Q., Sun, J., Liang, W., Zhou, Y., Chu, C., Li, X. et al. (2008) Mutation of the rice Narrow leaf1 gene, which encodes a novel protein, affects vein patterning and polar auxin transport. Plant Physiol,147, 1947-1959.

2. Takai, T., Adachi, S., Taguchi-Shiobara, F., Sanoh-Arai, Y., Iwasawa, N., Yoshinaga, S., Hirose, S., Taniguchi, Y., Yamanouchi, U., Wu, J. et al. (2013) A natural variant of NAL1, selected in high-yield rice breeding programs, pleiotropically increases photosynthesis rate. Sci Rep,3, 2149.

3. Huang, Y., Zhao, S., Fu, Y., Sun, H., Ma, X., Tan, L., Liu, F., Sun, X., Sun, H., Gu, P. et al. (2018) Variation in the regulatory region of FZP causes increases in secondary inflorescence branching and grain yield in rice domestication. Plant J,96, 716-733.

4. Fujita, D., Trijatmiko, K.R., Tagle, A.G., Sapasap, M.V., Koide, Y., Sasaki, K., Tsakirpaloglou, N., Gannaban, R.B., Nishimura, T., Yanagihara, S. et al. (2013) NAL1 allele from a rice landrace greatly increases yield in modern indica cultivars. Proc Natl Acad Sci U S A,110, 20431-20436.

5. Zhang, G.H., Li, S.Y., Wang, L., Ye, W.J., Zeng, D.L., Rao, Y.C., Peng, Y.L., Hu, J., Yang, Y.L., Xu, J. et al. (2014) LSCHL4 from Japonica Cultivar, which is allelic to NAL1, increases yield of indica super rice 93-11. Mol Plant,7, 1350-1364.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01668-1