王亞麗, 鄧德祥, 王益軍*

1.江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物基因組學(xué)和分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009;2.江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 揚(yáng)州大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州 225009

G蛋白是重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)載體，負(fù)責(zé)將胞外信號(hào)傳遞到胞內(nèi)。G蛋白在動(dòng)物和植物中都廣泛存在，其包括3個(gè)亞基：Gα、Gβ和Gγ[1]。在動(dòng)物中，G蛋白信號(hào)通路與細(xì)胞極性、突觸結(jié)合、感覺響應(yīng)等多個(gè)生物學(xué)過程相關(guān)[2]。植物G蛋白信號(hào)也參與眾多生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，包括株型塑造、生物逆境與非生物逆境抗性、激素與光信號(hào)應(yīng)答、糖信號(hào)響應(yīng)、養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量形成等[3,4]。本文簡(jiǎn)述了植物G蛋白信號(hào)傳遞的基本特征，重點(diǎn)綜述了玉米G蛋白的研究進(jìn)展，包括玉米G蛋白的分布、功能及其與重要農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)。此外，本文還對(duì)玉米G蛋白今后的研究工作進(jìn)行了展望。

1 植物G蛋白的信號(hào)通路

G蛋白信號(hào)通路的激活依賴于發(fā)生GDP 到GTP 的轉(zhuǎn)換。在失活狀態(tài)下，G蛋白Gα亞基結(jié)合GDP，與Gβ、Gγ亞基形成異源三聚體Gαβγ。在激活狀態(tài)下，發(fā)生GDP到GTP的轉(zhuǎn)換，形成2種復(fù)合體：結(jié)合GTP的Gα亞基、Gβ、Gγ亞基形成的異源二聚體Gβγ，進(jìn)而激活下游的效應(yīng)基因(圖1)。在動(dòng)物中，發(fā)生GDP到GTP的轉(zhuǎn)換，G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors, GPCRs)是必需的[2]。而在植物中，迄今為止沒有發(fā)現(xiàn)功能性的GPCRs。植物Gα亞基的激活可能不需要功能性GPCRs的參與，能夠發(fā)生自我激活，實(shí)現(xiàn)GDP 到GTP 的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而激活下游的效應(yīng)基因[5]。盡管缺乏功能性的GPCRs，植物中含有G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)因子(regulator of G-protein signaling, RGS)。RGS通過Gα亞基促進(jìn)GTP水解，進(jìn)而阻止Gα亞基活性，終止植物體內(nèi)的G蛋白激活信號(hào)?？梢?，RGS是植物G蛋白信號(hào)的負(fù)向調(diào)節(jié)因子[6]。有趣的是，研究者們只在擬南芥等雙子葉植物中發(fā)現(xiàn)了RGS，在玉米等單子葉禾谷類作物中沒有發(fā)現(xiàn)功能性的RGS[7,8]。RGS分布呈現(xiàn)出物種特異性，表明在單子葉和雙子葉植物中可能存在著不同的G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)機(jī)制。玉米等禾谷類作物中，哪些因子參與了G蛋白信號(hào)通路的調(diào)控，尚有待進(jìn)一步研究。

圖1 G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路Fig.1 Signaling transduction pathway of G-proteins.

2 玉米G蛋白的分布

玉米中含有1個(gè)典型Gα、3個(gè)非典型超大Gα (extra-large Gα, XLG)、1個(gè)Gβ、6個(gè)Gγ亞基。6個(gè)Gγ亞基可以進(jìn)一步分為Type A Gγ(1個(gè))、Type B Gγ(1個(gè))和Type C Gγ(4個(gè))。

玉米典型Gα蛋白COMPACT PLANT2 (CT2)含有Gα結(jié)構(gòu)域，Gα結(jié)構(gòu)域又可以分為兩個(gè)亞結(jié)構(gòu)域：Helical和Ras-like亞結(jié)構(gòu)域[9]。玉米中除了具有典型Gα蛋白CT2，還含有非典型超大Gα蛋白XLG。XLG大小是典型Gα亞基的兩倍。與典型Gα蛋白類似，XLG蛋白在C端含有Helical和Ras-like亞結(jié)構(gòu)域。在XLG蛋白N端，還具有核定位信號(hào)、富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域[10]。XLG蛋白能夠與Gβ蛋白發(fā)生互作，直接參與G蛋白信號(hào)通路[11]。

玉米Gβ蛋白N端具有coiled-coil helices結(jié)構(gòu)域。此外，Gβ蛋白含有7個(gè)tryptophan-aspartic acid 40 (WD40)重復(fù)結(jié)構(gòu)域。玉米中含有6個(gè)Gγ蛋白，包括1個(gè)Type A、1個(gè)Type B、4個(gè)Type C Gγ[12]。與Gβ蛋白類似，所有Gγ蛋白N端都含有coiled-coil helices結(jié)構(gòu)域。Type A Gγ蛋白在C端還含有prenylation結(jié)構(gòu)域 (CaaX結(jié)構(gòu)域)。Type B Gγ只含有N端的coiled-coil helices結(jié)構(gòu)域。Type C Gγ，又被稱為非典型的Gγ亞基(non-canonical Gγ subunit)，是因?yàn)門ype C Gγ蛋白除了N端的coiled-coil helices結(jié)構(gòu)域，還含有跨膜螺旋、C端的富含半胱氨酸結(jié)構(gòu)域。部分Type C Gγ蛋白還含有prenylation結(jié)構(gòu)域(CaaX結(jié)構(gòu)域)[3]。

玉米Gβ蛋白和所有3種類型Gγ蛋白的N端，都含有螺旋結(jié)構(gòu)域。Gβ N端的螺旋能夠與Gγ N端的螺旋形成螺旋-螺旋結(jié)構(gòu)。Gβ和Gγ蛋白的互作是通過各自N端的螺旋形成螺旋-螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生Gβγ異源二聚體。在激活狀態(tài)下，Gβγ異源二聚體可以激活下游的效應(yīng)基因，從而調(diào)控多個(gè)生物學(xué)過程[1]。在Type C Gγ蛋白C端還含有富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域負(fù)向調(diào)控Gβ和Gγ N端螺旋的互作[13]。

3 玉米G蛋白的功能

玉米具有1個(gè)典型Gα、1個(gè)Gβ、6個(gè)Gγ蛋白。根據(jù)結(jié)構(gòu)域組成的差異，6個(gè)Gγ蛋白可以進(jìn)一步分為Type A Gγ、Type B Gγ、Type C Gγ蛋白，它們?cè)谟衩字械臄?shù)目分別為1個(gè)、1個(gè)、4個(gè)。與水稻、擬南芥等物種相比，玉米G蛋白功能研究的報(bào)道較少，玉米G蛋白功能研究主要集中于典型Gα蛋白CT2、Type C Gγ蛋白ZmGS3。

3.1 玉米典型Gα蛋白CT2的功能

玉米基因組中只含有1個(gè)編碼典型Gα蛋白的基因ct2。玉米ct2基因功能缺失突變體ct2表現(xiàn)為半矮稈、根系生長(zhǎng)減少、葉片短而直立、增大的莖頂端分生組織(shoot apical meristem,SAM)、雄穗分支密、雌穗多、穗尖變大、雌穗扁化、穗行數(shù)增多。與野生型相比，ct2突變體的開花期沒有改變[9]。ct2突變體的半矮稈性狀是由于細(xì)胞數(shù)目的減少，而不是細(xì)胞大小的降低所導(dǎo)致。此外，ct2突變體葉片數(shù)和雌穗數(shù)增多。增多的葉片數(shù)、雌穗可以部分補(bǔ)償ct2株高降低的效應(yīng)[14]。ct2突變體進(jìn)一步分析的結(jié)果表明，玉米典型Gα蛋白基因ct2是細(xì)胞擴(kuò)增與伸長(zhǎng)的正向調(diào)節(jié)因子。

3.2 玉米Type C Gγ蛋白ZmGS3的功能

玉米中含有4個(gè)編碼Type C Gγ蛋白的基因，只有水稻Type C Gγ基因GRAINSIZE3 (GS3)的同源基因ZmGS3的功能被初步研究。玉米Type C Gγ基因ZmGS3是水稻籽粒大小基因GS3的同源基因。玉米不同組織中基因表達(dá)分析的結(jié)果表明，ZmGS3主要在未成熟的玉米雌穗與籽粒中表達(dá)，調(diào)控玉米籽粒的發(fā)育。候選基因關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果顯示，位于ZmGS3基因第5外顯子、啟動(dòng)子區(qū)域的變異分別與玉米籽粒長(zhǎng)度、百粒重的變異顯著關(guān)聯(lián)。盡管玉米ZmGS3與水稻GS3類似，調(diào)控籽粒的發(fā)育過程，然而，ZmGS3調(diào)控玉米籽粒發(fā)育的機(jī)理可能與GS3調(diào)控水稻籽粒發(fā)育的機(jī)理不同[15～17]。在水稻中過表達(dá)玉米ZmGS3基因，導(dǎo)致植株株高降低、籽粒變短，表明玉米ZmGS3基因負(fù)向調(diào)控植株的高度與籽粒長(zhǎng)度[12]。

過表達(dá)擬南芥Type C Gγ基因AGG3導(dǎo)致葉片、花、莢果和種子增大，擬南芥agg3突變體表現(xiàn)為縮短的下胚軸、莢果和種子[18, 19]。在擬南芥中，Type C Gγ基因AGG3正向調(diào)控器官的大小。然而，玉米Type C Gγ基因ZmGS3負(fù)向調(diào)控器官的大小。Type C Gγ基因在單子葉、雙子葉植物器官大小調(diào)控中呈現(xiàn)出不同的機(jī)制。這一方面表明，G蛋白信號(hào)對(duì)單子葉、雙子葉植物的一些發(fā)育進(jìn)程存在著不同的調(diào)節(jié)機(jī)制，另一方面也表明植物G蛋白信號(hào)調(diào)控通路的復(fù)雜性。因此，一些G蛋白信號(hào)調(diào)控的研究需要結(jié)合具體的研究物種與研究性狀。

4 玉米G蛋白與重要農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)

G蛋白影響到玉米的多個(gè)重要農(nóng)藝性狀，包括株型建成、花器官發(fā)育、產(chǎn)量形成、非生物逆境應(yīng)答等。

4.1 G蛋白調(diào)控玉米分生組織的大小

植物分生組織是具有分裂分化能力的細(xì)胞群，是產(chǎn)生各種組織的基礎(chǔ)。因此，分生組織的調(diào)控通路是發(fā)育生物學(xué)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一，也具有重要的實(shí)踐應(yīng)用意義。越來越多的證據(jù)表明，G蛋白可以調(diào)控玉米分生組織的發(fā)育，這一調(diào)控是通過玉米G蛋白與CLAVATA (CLV)通路受體的互作而實(shí)現(xiàn)的。

在植物中， CLV通路、同源異型盒基因WUSCHEL(WUS)形成負(fù)向反饋通路，進(jìn)行分生組織的調(diào)控。WUS基因結(jié)合于CLV通路配體CLAVATA3 (CLV3)的啟動(dòng)子區(qū)域，正向調(diào)控CLV3的表達(dá)。配體CLV3被CLAVATA2 (CLV2)等受體識(shí)別，負(fù)向調(diào)控WUS基因的表達(dá)，從而形成CLV/WUS負(fù)向反饋調(diào)控通路。CLV/WUS負(fù)向反饋通路對(duì)于分生組織的維持起到十分重要的作用[20]。玉米FASCIATEDEAR2(FEA2)是擬南芥編碼富含亮氨酸重復(fù)受體類激酶基因CLV2的同源基因。編碼玉米Gα蛋白基因ct2的突變體ct2與擬南芥CLV通路突變體clv的表型類似。玉米Gα蛋白CT2與CLV通路受體FEA2發(fā)生互作，傳遞CLV通路受體的信號(hào)，調(diào)控玉米莖頂端分生組織和花序分生組織，進(jìn)而影響玉米植株的株型塑造、花器官發(fā)育等[9, 21, 22]。

4.2 G蛋白影響玉米葉片形態(tài)和花序發(fā)育

玉米典型Gα蛋白基因ct2的突變體ct2不僅影響植株的株型建成，如株高等，而且調(diào)控植株的花序發(fā)育。ct2突變體植株著生多個(gè)雌穗[14]。表明典型Gα蛋白CT2可以有效抑制玉米雌穗的無序增殖。此外，組成型激活ct2基因可以提高玉米的穗行數(shù)，同時(shí)降低葉夾角[23]。穗行數(shù)是玉米產(chǎn)量的構(gòu)成因子，與玉米最終的產(chǎn)量表現(xiàn)密切相關(guān)。葉夾角也是玉米育種中關(guān)注的重要農(nóng)藝性狀之一。適當(dāng)降低莖葉夾角，培育緊湊型玉米品種，可以有效改善高密度種植條件下的群體結(jié)構(gòu)，提高光能利用效率，是玉米株型改良和高產(chǎn)育種的重要內(nèi)容之一。

玉米中除了具有典型的Gα蛋白CT2，還含有非典型的超大Gα蛋白XLG。與玉米典型Gα蛋白CT2類似，XLG蛋白參與調(diào)控玉米分生組織的發(fā)育。在調(diào)控玉米植株發(fā)育過程中，與CT2相比，XLG蛋白一方面表現(xiàn)出功能的冗余，同時(shí)也具有自身一些特有的功能[23]。XLG蛋白可以用作靶標(biāo)來改良玉米的重要農(nóng)藝性狀，包括葉片形態(tài)、花序發(fā)育等。因此，發(fā)掘玉米典型Gα蛋白基因ct2、非典型超大Gα蛋白基因XLG的等位變異，尤其是具有育種價(jià)值的優(yōu)良等位變異，將為玉米高產(chǎn)、理想株型等育種實(shí)踐與遺傳改良工作提供重要素材。

4.3 G蛋白與玉米產(chǎn)量性狀的關(guān)聯(lián)

G蛋白基因GS3影響水稻籽粒大小，最終影響水稻的產(chǎn)量表現(xiàn)[16]。過表達(dá)擬南芥Gγ基因AGG3使得莢果和種子增大。在水稻中過表達(dá)玉米Type C Gγ基因ZmGS3，導(dǎo)致水稻株高降低、籽粒變小。這表明玉米Type C Gγ基因ZmGS3影響籽粒的發(fā)育[12]。對(duì)玉米產(chǎn)量性狀QTL進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)編碼玉米Type C Gγ蛋白的基因ZmDEP1(水稻Type C Gγ基因DEP1的同源基因)是玉米產(chǎn)量性狀的候選基因[24,25]。Type C Gγ基因DEP1與水稻穗型、粒長(zhǎng)等產(chǎn)量性狀相關(guān)[12,26,27]。Type C Gγ基因ZmDEP1作為玉米產(chǎn)量性狀的候選基因，其與玉米產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性有待進(jìn)一步研究。

盡管在水稻中對(duì)玉米ZmGS3基因進(jìn)行了過表達(dá)研究，但ZmGS3基因與玉米株型建成、籽粒發(fā)育的相關(guān)性仍需要進(jìn)一步分析研究。直接在玉米中采用過表達(dá)、RNAi、CRISPR/Cas9等技術(shù)對(duì)ZmGS3、ZmDEP1等G蛋白基因進(jìn)行研究，將有助于揭示G蛋白在玉米中的功能，尤其是闡明G蛋白在玉米產(chǎn)量形成中的作用及其機(jī)理。

4.4 G蛋白參與玉米非生物逆境應(yīng)答

植物G蛋白在多種非生物脅迫(冷害、鹽害、干旱、鎘處理)響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。在水稻等植物中，研究者對(duì)G蛋白應(yīng)答非生物脅迫的機(jī)制進(jìn)行了深入研究。例如，水稻Gα蛋白與COLD互作，通過調(diào)控Ca2+通道影響植株的耐冷性[28]。水稻Gα蛋白還參與干旱脅迫響應(yīng)[29]。水稻Type C Gγ蛋白DEP1與鎘的耐受性相關(guān)[30]。與水稻相比，玉米G蛋白與非生物脅迫應(yīng)答的相關(guān)性研究較少，目前主要集中在玉米典型Gα蛋白CT2與非生物逆境響應(yīng)的研究。

玉米典型Gα蛋白CT2參與鹽脅迫的響應(yīng)。在NaCl處理下，與野生型相比，玉米Gα蛋白基因CT2的突變體ct2能夠延緩葉綠素降解、細(xì)胞質(zhì)電解質(zhì)滲漏與葉片衰老。玉米G蛋白信號(hào)通過調(diào)控分生組織的細(xì)胞分裂和葉片細(xì)胞的凋亡，從而對(duì)鹽脅迫作出應(yīng)答[31]。盡管玉米Gα蛋白與鹽脅迫應(yīng)答的生理成因已經(jīng)得到了初步揭示，在轉(zhuǎn)錄組、代謝組學(xué)等多個(gè)層面開展后續(xù)研究，不僅將有助于深入揭示玉米典型Gα蛋白對(duì)鹽脅迫應(yīng)答的機(jī)制，而且也能為研究玉米其他G蛋白與非生物逆境響應(yīng)的關(guān)聯(lián)提供參考。

5 展望

玉米中具有1個(gè)典型Gα、3個(gè)非典型超大Gα(XLG)、1個(gè)Gβ、6個(gè)Gγ(1個(gè)Type A Gγ、1個(gè)Type B Gγ、4個(gè)Type C Gγ)。玉米G蛋白的研究集中于典型Gα、1個(gè)Type C Gγ(水稻GS3的同源基因ZmGS3)。玉米Gβ、其余Gγ蛋白的功能未知?？梢圆捎肅RISPR/Cas9等技術(shù)，獲得目的基因敲除材料，研究玉米G蛋白的功能。需要注意的是，一些G蛋白，例如水稻Gβ亞基，是生物體生長(zhǎng)和發(fā)育所必需的。由于胚致死效應(yīng)，通過CRISPR/Cas9技術(shù)可能難以得到純合的突變體[12]。在這種情況下，可以通過RNAi等方法，進(jìn)行G蛋白功能的研究。此外，對(duì)于玉米Gγ蛋白，由于有3種類型(Type A、Type B、Type C)，并且Type C Gγ有多個(gè)成員(4個(gè))存在，可能存在功能的冗余，單個(gè)基因的敲除不一定有明顯的表型變化，需要通過CRISPR/Cas9多基因敲除、單基因敲除系雜交等方法構(gòu)建多基因敲除系，進(jìn)行玉米G蛋白功能的解析。

植物G蛋白影響到眾多重要的農(nóng)藝性狀，包括株型建成、生物逆境與非生物逆境應(yīng)答、養(yǎng)分利用效率、籽粒品質(zhì)、產(chǎn)量表現(xiàn)等[3,9,23,28]。但G蛋白調(diào)控玉米籽粒發(fā)育、非生物逆境應(yīng)答的機(jī)制尚有待深入解析。此外，通過自然群體篩選和CRISPR/Cas9等技術(shù)，發(fā)掘G蛋白基因的優(yōu)良等位變異并評(píng)估其育種效用，也是今后玉米G蛋白研究的重要命題。