万建民院士团队揭示水稻谷蛋白转运调控新机制

水稻是我国第一大口粮作物，随着人民生活水平的提高，对优质稻米需求日益增加。蛋白质是稻米中仅次于淀粉的第二大营养物质，其含量和组成对稻米品质有着重要影响。谷蛋白是稻米蛋白质的主要营养来源，约占贮藏蛋白含量的60%-80%，富含赖氨酸且易被人体消化吸收，是稻米蛋白品质改良的首选目标。在胚乳细胞中，谷蛋白首先以前体形式在内质网合成，经由高尔基体介导的途径运输到蛋白体后，被加工成成熟亚基，上述过程任一环节的破坏均可能严重影响稻米品质。因此，解析谷蛋白合成、运输及沉积的分子机理对稻米品质遗传改良具有重要意义。

近日，万建民院士团队在Plant Physiology发表题为“Functional Diversification of Sec13 Isoforms for Storage Protein Trafficking in Rice Endosperm Cells”的研究论文，克隆了谷蛋白内质网输出关键基因Sec13a，阐明了Sec13a通过调控COPII囊泡形成参与谷蛋白内质网输出的分子机制，并揭示了水稻Sec13家族基因的功能分化。

该研究从粳稻品种滇粳优1号的MNU化学诱变突变体库中筛选获得了一个新的谷蛋白前体增加突变体，命名为glutelin precursor accumulation12 （gpa12）。该突变体种子外观表现为粉质不透明，谷蛋白前体滞留在内质网形成新型蛋白体。图位克隆和遗传互补实验证实，GPA12编码一个内质网输出囊泡COPII （Coat protein complex II）的关键亚基Sec13a。亚细胞定位结果显示，Sec13a蛋白定位在点状的内质网输出位点（ER exit site, ERES）上，然而突变形式的mSec13a （S236F）异常定位在细胞质中。进一步的生化研究发现，mSec13a蛋白和Sec31、Sec16相互作用明显减弱，可能通过影响Sec13-Sec31和Sec13-Sec16复合体形成进而导致COPII囊泡在ERES上的出芽受阻，最终导致谷蛋白内质网输出异常，不能被有效加工成熟。

同时研究还发现，除Sec13a外，水稻基因中还存在另外2个Sec13同源基因：Sec13b和Sec13c。Sec13b和Sec13c均不能互补gpa12突变体表型，暗示Sec13同源基因可能存在功能分化。进一步的遗传学和细胞学研究发现，Sec13b和Sec13c的单敲除和双敲除突变体均未出现类似gpa12的表型缺陷。有趣的是，Sec13b和Sec13c双突变体胚乳细胞中出现了大量圆球状的内质网，表明Sec13b和Sec13c可能在维持内质网形态上发挥功能。综上所述，该研究系统解析了COPII囊泡关键组分Sec13家族基因的生物学功能，为稻米蛋白品质的遗传改良提供了重要基因资源和理论依据。

南京农业大学王永飞博士、中国农业科学院作物科学研究所任玉龙研究员和南京农业大学滕烜副教授为论文的共同第一作者，万建民院士和王益华教授为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金、十四五国家重点研发计划和江苏省种业振兴“JBGS”等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae513