The Plant Cell | 我室李立家团队揭示生长素信号基因OsIAA7通过油菜素内酯通路调控水稻籽粒大小新机制

1 研究背景  

籽粒大小是决定水稻产量的核心因素之一。生长素（Auxin）和油菜素内酯（Brassinosteroid, BR）是调控植物生长发育的关键激素，二者信号通路在水稻籽粒大小控制中均发挥重要作用。然而，这两个通路之间如何相互作用以精确调控籽粒发育，其分子机制尚不清楚。生长素信号通路的核心组分Aux/IAA蛋白家族成员众多，但它们在BR信号通路中的作用及其对籽粒大小的影响亟待探索。

2 文章介绍 

2025年7月，武汉大学生命科学学院李立家教授团队在The Plant Cell在线发表了题为“Brassinosteroid signaling mediated by the OsIAA7-OsGSK2-OsBZR1 module regulates seed size in rice”的研究论文。该研究首次鉴定到生长素早期响应基因OsIAA7作为籽粒大小的负调控因子，并揭示其通过与BR信号通路的关键激酶OsGSK2互作，增强OsGSK2对转录因子OsBZR1的磷酸化降解，从而整合生长素与BR信号共同调控水稻籽粒大小的新机制，为作物高产育种提供了新靶点。

原文链接:https://doi.org/10.1093/plcell/koaf165

3 主要研究技术

CRISPR-Cas9基因编辑、基因过表达、遗传互补、酵母双杂交（Y2H）、免疫共沉淀（Co-IP）、Pull-down、双分子荧光互补（BiFC）、荧光素酶互补成像（LCI）、酵母三杂交（Y3H）、体外激酶实验、细胞学分析（扫描电镜SEM、组织切片）、RNA-seq、qRT-PCR、蛋白稳定性分析、油菜素内酯（BL）处理敏感性分析。

4 主要内容

为了挖掘调控水稻籽粒大小的新基因，研究团队首先关注了生长素信号通路中的Aux/IAA家族成员。通过数据库分析和系统进化树构建，发现OsIAA7在稻穗中高表达（图1A, B），其编码的蛋白定位于细胞核（图1C），暗示其在转录调控中可能发挥作用。

图1  OsIAA7的表达模式与亚细胞定位

为了明确OsIAA7的功能，研究人员在粳稻品种“中华11”（ZH11）背景下利用CRISPR-Cas9技术构建了osiaa7功能缺失突变体，并构建了OsIAA7过表达（OE）株系。表型分析显示，与野生型（WT）相比，osiaa7突变体的籽粒显著变长、变宽，千粒重显著增加（图2D-G），而过表达株系的籽粒大小与WT无显著差异。遗传互补实验成功恢复了osiaa7突变体的大粒表型，确证了OsIAA7是籽粒大小的负调控因子。

图2 OsIAA7负调控籽粒大小

细胞学分析揭示了OsIAA7调控籽粒大小的细胞学基础。扫描电镜（SEM）和组织切片观察表明，osiaa7突变体中颖壳细胞的纵向分裂和伸长，以及横向伸长均显著增强（图3C-I），最终导致颖壳和籽粒（颖果）在整个发育过程中持续增大（图3A, B）。这表明OsIAA7通过抑制颖壳细胞的增殖和扩张来限制籽粒大小。

图3 OsIAA7调控颖壳细胞形态和数量

关键的机制突破在于发现了OsIAA7与BR信号通路的联系。通过酵母双杂交筛选和水稻颖壳cDNA文库互作验证，研究人员鉴定到BR信号通路的关键负调控因子激酶OsGSK2是OsIAA7的互作蛋白（图4A）。进一步的体外Pull-down（图4B）、体内Co-IP（图4C）、双分子荧光互补（BiFC，图4E）和荧光素酶互补成像（LCI，图4D）实验均证实了OsIAA7与OsGSK2在细胞核内存在直接的物理相互作用。

图4 OsIAA7与OsGSK2互作

深入研究发现，OsIAA7并不直接被OsGSK2磷酸化或降解，而是通过增强OsGSK2与其下游靶标、BR信号的正调控转录因子OsBZR1之间的相互作用来发挥作用。酵母三杂交（图6B）、体外Pull-down（图6C）和体内Co-IP（图6D）实验均证明，OsIAA7的存在显著增强了OsGSK2与OsBZR1的互作。体外激酶实验进一步揭示，OsIAA7能剂量依赖性地促进OsGSK2对OsBZR1的磷酸化（图5H），并增强OsGSK2自身的自磷酸化活性。相应地，在osiaa7突变体组织中，去磷酸化的活性OsBZR1蛋白积累显著增加（图5F），而其转录水平不变（图5G）。由于磷酸化的OsBZR1会被降解，这表明OsIAA7通过促进OsBZR1的磷酸化降解来负调控BR信号。这一结论得到以下证据支持：(1)osiaa7突变体对BR处理更敏感（叶片夹角增大，图5A-C）；(2) BR处理能降低OsIAA7-HA融合蛋白的稳定性（图5D, E）；(3) osiaa7突变体中部分BR合成基因（如D2)表达下调，这是BR信号增强（通过反馈抑制）的典型表现。

图5 OsIAA7负调控BR信号

遗传学分析进一步阐明了OsIAA7和OsGSK2在调控籽粒大小通路中的上下游关系。在osgsk2功能缺失突变体背景下过表达OsIAA7，其籽粒大小（尤其是长度）与osgsk2单突变体无显著差异，表明OsGSK2功能缺失阻断了OsIAA7的作用。相反，在osiaa7大粒突变体背景下过表达OsGSK2，则能部分“挽救”大粒表型，使籽粒变短、变轻（图7A-D）。这些结果证明OsIAA7作用于OsGSK2的上游，二者存在强烈的遗传互作。

图7 OsIAA7位于OsGSK2上游

综上所述，本研究提出了OsIAA7调控籽粒大小的分子模型（图8）：OsIAA7作为生长素信号通路的组分，通过与BR信号通路的关键激酶OsGSK2直接互作，增强OsGSK2对下游转录激活因子OsBZR1的磷酸化作用，导致OsBZR1被降解，从而负向调控BR信号通路。在osiaa7突变体中，由于失去了OsIAA7的“促进”作用，OsGSK2对OsBZR1的磷酸化降解减弱，导致活性OsBZR1积累，BR信号增强，最终促进颖壳细胞的分裂和伸长，形成更大的籽粒。该模块（OsIAA7-OsGSK2-OsBZR1）首次揭示了Aux/IAA蛋白通过直接调控BR信号核心组分来影响作物产量性状的新机制。

图8 OsIAA7-OsGSK2-OsBZR1模块调控籽粒大小的工作模型

5 研究结论及意义

本研究鉴定到了一个新基因OsIAA7，它是水稻籽粒大小和重量的关键负调控因子，其功能缺失导致籽粒显著增大增重且不减产。并阐明了其细胞机制和分子机制，即通过直接物理互作BR信号激酶OsGSK2，增强OsGSK2对BR信号核心转录因子OsBZR1的磷酸化降解，从而负调控BR信号通路，OsIAA7作用于OsGSK2上游调控籽粒发育。OsIAA7-OsGSK2-OsBZR1模块的解析为通过分子设计育种协同改良作物产量提供了重要的理论基础和新靶标。

原文信息：Ronghua Qiu, Jin Yang, Jiaqi Hou, Peng Yao, Huangzhuo Xiao, Yequn Wu, Daoyi Tu, Shiqi Ye, Xin Zhao, Xiaoci Ma, Yating Zhao, Tingyu Chen, Lijia Li, Brassinosteroid signaling mediated by the OsIAA7-OsGSK2-OsBZR1 module regulates seed size in rice, The Plant Cell, 2025;, koaf165, https://doi.org/10.1093/plcell/koaf165