New Phytol | 南京农业大学黄骥课题组揭示OsGSK3-OsFCA通过液-液相分离调控水稻油菜素甾醇信号

油菜素甾醇（Brassinosteroids, BRs）是调控植物生长发育的关键类固醇激素，在水稻粒形和株型调控中发挥重要作用。GSK3/SHAGGY-like 激酶 OsGSK3 作为 BR 信号通路的负调控因子，通过磷酸化 OsBZR1 等底物抑制信号转导。然而，OsGSK3 介导的磷酸化调控网络及其对水稻农艺性状的影响仍有待深入解析。

近日，南京农业大学农学院作物遗传与种质创新利用全国重点实验室黄骥课题组在 New Phytologist 发表了以 “The GSK3/SHAGGY-Like OsGSK3 Phosphory-lates and Inhibits Phase Separation of OsFCA at Ser-43 and Ser-45 to Regulate Brassinosteroid Signaling and Rice Architecture” 为题的研究论文，系统揭示了 OsGSK3-OsFCA 模块通过液-液相分离（LLPS）动态调控BR信号、水稻粒长及抽穗期的分子机制。

为全面解析 BR 信号通路在水稻中的作用机制，研究人员对野生型、24-eBL 处理以及突变体 m-Osgsk3 进行了蛋白质组和磷酸蛋白质组定量分析。通过比对BL处理与 m-Osgsk3 突变体数据中呈现一致变化趋势的蛋白，整合 OsGSK3 的互作蛋白数据，构建了以 OsGSK3 为核心的调控网络。在该网络中，研究团队重点关注了 RNA 结合蛋白 OsFCA（FLOWERING CONTROL LOCUS A）。OsGSK3 与 OsFCA 相互作用并将其磷酸化。Osfca 突变体株高降低、叶夹角变窄、粒长显著缩短，呈现典型的 BR 缺陷表型。Osgsk3 突变体则表现为粒长增加，遗传学分析表明，Osgsk3 Osfca 双突变体的株高和粒长介于两个单突变体之间，说明 OsGSK3 与 OsFCA 在粒长调控中存在加性效应（图1）。

图1 OsFCA参与调控水稻粒形与株型

OsFCA 蛋白含有多个内在无序区（IDR）和类朊病毒域（PrLD），具备发生液-液相分离的结构基础。FRAP 实验证实，OsFCA-GFP 在烟草细胞核内形成典型的相分离凝聚体，经488 nm激光光漂白后荧光能够逐渐恢复，证明其具有液态凝聚体的动态特性。进一步结合磷酸化蛋白质组学和体外磷酸化实验，研究团队鉴定出 OsGSK3 磷酸化 OsFCA 的关键位点为 Ser-43 和 Ser-45。

为探究磷酸化对相分离的影响，研究人员构建了模拟非磷酸化状态的 OsFCA^AA（S43A/S45A）和模拟磷酸化状态的 OsFCA^DD（S43D/S45D）突变体。FRAP 结果显示，与 OsFCA-GFP 和 OsFCA^AA-GFP 相比，OsFCA^DD-GFP 的亚细胞定位发生显著改变：其信号从细胞核转移至细胞质，且在细胞质中不再形成可恢复的相分离凝聚体。BiFC 实验进一步验证，OsFCA^AA与 OsGSK3 的互作仅限于细胞核内，而OsFCA^DD与 OsGSK3 的互作信号则同时分布于细胞核和细胞质，说明磷酸化状态直接决定了该复合体的亚细胞定位（图2）。

图2 OsFCA蛋白在植物体内发生相分离

基于上述发现，研究团队提出了 OsGSK3-OsFCA 调控 BR 信号的工作模型（图3）：在野生型水稻细胞核内，OsFCA 通过液-液相分离形成生物分子凝聚体，招募并结合 OsGSK3，从而将后者 “隔离”在凝聚体中，OsGSK3 磷酸化 OsFCA ，促进了二者形成的复合体从细胞核向细胞质转运，解除了 OsGSK3 对 OsBZR1 的磷酸化抑制，使 OsBZR1 得以在核内积累并激活 BR 响应基因的表达，最终促进水稻生长和粒长增加。在 Osfca 突变体中，由于缺失了 OsFCA 的“隔离”功能，OsGSK3 在核内大量积累并持续磷酸化 OsBZR1，导致其被滞留于细胞质中，BR 信号减弱，从而表现为粒长缩短等 BR 缺陷表型。

图3 OsGSK3介导的OsFCA磷酸化调控BR信号及水稻生长发育的工作模型

本研究首次将液–液相分离（LLPS）机制纳入水稻油菜素内酯（BR）信号调控网络，揭示了 OsGSK3 通过磷酸化 OsFCA 的 Ser43 和 Ser45 位点抑制其相分离，从而影响 BR 信号传导，并协调籽粒发育与抽穗期等重要农艺性状。该研究建立了“激酶磷酸化—相分离状态转换—发育响应调控”的分子框架，为理解植物信号转导与生物大分子凝聚体之间的联系提供了新的理论视角。同时，OsGSK3–OsFCA 模块能够同时影响粒长、株型和抽穗期等关键性状，为通过精准调控蛋白磷酸化状态或凝聚体形成能力实现作物理想株型设计与产量改良提供了潜在的分子靶点和理论依据。

原文链接：https://doi.org/10.1111/nph.71320

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供稿 | 黄   骥

排版 | 胡浩洋

审核 | 王鹏蔚