Plant Commun | 南京农业大学万建民/王春明团队揭示水稻耐盐性与籽粒蛋白积累分子机制

土壤盐渍化是全球范围内制约作物生产的主要非生物胁迫因素之一。作为对盐分高度敏感的主要粮食作物，水稻在盐胁迫下不仅产量下降，籽粒品质也受到显著影响。盐胁迫会导致水稻籽粒蛋白含量异常升高，虽然适度增加蛋白含量可提升营养品质，但过量积累会使米饭口感粗糙、风味变差，降低消费者接受度。水稻籽粒中约80%的贮藏蛋白为谷蛋白，其合成受到复杂分子网络的调控。植物中保守SOS（Salt Overly Sensitive）信号通路是维持离子稳态的核心机制，通过SOS3-SOS2-SOS1级联反应将胞内Na⁺排出或区隔化至液泡。然而，SOS通路是否参与盐胁迫下籽粒品质的调控，以及是否存在连接耐盐性与蛋白积累的分子枢纽，长期以来仍是未解之谜。

研究团队首先测定了268个水稻品种在正常田和盐田中的籽粒蛋白含量，发现盐胁迫使平均蛋白含量从7.96%升至8.51%，且蛋白含量与产量呈显著负相关，盐敏感品种往往积累更高的蛋白含量。以盐田与正常田蛋白含量比值作为表型数据进行GWAS分析，在1号染色体上锁定一个包含三个候选基因的区间。其中两个基因编码FK506结合蛋白家族成员，分别命名为OsFKBP57和OsFKBP73。盐处理下这两个基因的表达量显著上调，且在籽粒发育过程中均有表达。在粳稻宁粳4号背景下利用CRISPR-Cas9构建敲除系，在连云港和唐山两个盐田连续两年种植发现，fkbp57和fkbp73的籽粒蛋白含量均显著高于野生型，而米饭食味值则显著降低。单倍型分析进一步鉴定到两个基因CDS区内的关键SNP，不同单倍型间蛋白含量差异显著，这些SNP成为精准编辑籽粒蛋白含量的潜在靶点。

图1 OsFKBP57和OsFKBP73的鉴定与籽粒蛋白含量调控功能验证 

在正常田和盐田中对敲除系的农艺性状进行系统评价后发现，盐胁迫下fkbp57和fkbp73的株高、有效穗数和结实率均显著低于野生型，单株产量降幅尤为明显，而正常条件下差异不显著。籽粒相关性状中，两个敲除系的千粒重和粒宽在两种条件下均降低，粒长则呈现复杂变化。为了解析盐耐受性，研究在水稻苗期进行NaCl处理，结果显示fkbp57和fkbp73的存活率分别比野生型降低29.1%和20.8%，株高、鲜重和干重均显著下降。更重要的是，盐胁迫下敲除系地上部的Na⁺含量显著高于野生型，微区X射线荧光光谱分析也直观显示fkbp57和fkbp73植株体内Na⁺积累更多。这些结果表明OsFKBP57和OsFKBP73通过调控Na⁺稳态赋予水稻耐盐性。

图2 OsFKBP57和OsFKBP73敲除降低水稻耐盐性与产量

为了探明这两个FKBP蛋白调控Na⁺稳态的分子机制，研究团队首先通过双分子荧光互补实验和pull-down实验证实，OsFKBP57和OsFKBP73均能与SOS通路核心激酶OsSOS2发生物理互作。LCI实验进一步揭示，当共表达OsFKBP57或OsFKBP73时，OsSOS3与OsSOS2之间的互作强度显著增强。在蛋白稳定性层面，盐处理下野生型植株中OsSOS2蛋白随处理时间持续累积，但fkbp57和fkbp73中OsSOS2的积累量显著减少。体外无细胞降解实验也显示，与敲除系蛋白提取物共孵育后OsSOS2的降解速率明显加快。为了验证OsFKBP57是否通过OsSOS2发挥作用，研究者在fkbp57背景中过表达OsSOS2，发现该互补系能有效恢复fkbp57在盐田中的农艺性状、苗期耐盐性以及Na⁺含量至野生型水平。值得注意的是，敲除OsSOS2同样导致籽粒蛋白含量升高、食味值下降，而在fkbp57中过表达OsSOS2则逆转了蛋白含量的升高趋势。综上，OsFKBP57和OsFKBP73通过稳定OsSOS2蛋白并增强SOS3-SOS2互作来维持SOS通路活性，从而调控耐盐性及籽粒蛋白含量。

图3 OsFKBP57和OsFKBP73增强OsSOS2稳定性与SOS3-SOS2互作强度

氨基酸是蛋白质的基本组成单元，盐胁迫下野生型籽粒中几乎所有氨基酸含量均显著升高，其中酪氨酸增幅最为突出。有趣的是，在盐田中fkbp57和fkbp73籽粒的氨基酸含量均高于野生型，且支链氨基酸中的异亮氨酸增幅最大。进一步定量显示，fkbp57中亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸含量在盐胁迫下均显著升高，fkbp73中也有升高趋势但未达统计学显著。已知水稻中支链氨基酸的合成由支链氨基酸转氨酶OsBCAT1负责，BiFC和pull-down实验均证实OsFKBP57和OsFKBP73能与OsBCAT1直接互作。酶活测定显示，正常条件下敲除系与野生型的BCAT活性无差异，但盐胁迫下fkbp57和fkbp73的BCAT活性显著高于野生型，表明这两个FKBP蛋白在盐胁迫下抑制BCAT活性。此外，OsSOS2敲除系籽粒氨基酸含量也显著升高，而在fkbp57中过表达OsSOS2则降低氨基酸含量。这些结果揭示了OsFKBP57和OsFKBP73通过抑制BCAT活性调控盐胁迫下籽粒氨基酸水平。

图4 OsFKBP57和OsFKBP73敲除增加盐胁迫下籽粒支链氨基酸含量

为了全面解析OsFKBP57和OsFKBP73的下游转录调控网络，研究团队进行了转录组测序。PCA分析显示盐处理诱导了显著的重编程效应，差异基因统计表明盐胁迫下敲除OsFKBP57或OsFKBP73导致上调的基因数远多于下调数，提示这两个蛋白在盐胁迫下主要发挥转录抑制作用。考虑到谷蛋白占水稻籽粒贮藏蛋白的80%，研究重点分析了谷蛋白基因家族的表达。fkbp57和fkbp73中GluA1、GluA2和GluC1均上调，其中GluA1上调最为显著。qRT-PCR验证了盐胁迫下敲除系中GluA1表达量显著升高。SDS-PAGE和免疫印迹分析进一步证实，盐田中fkbp57和fkbp73籽粒的谷蛋白前体、酸性亚基和碱性亚基积累量均高于野生型，GluA1蛋白水平也明显升高。OsSOS2敲除系同样表现出GluA1表达上调及谷蛋白含量增加，而在fkbp57中过表达OsSOS2则降低了GluA1表达和谷蛋白积累。这些数据一致表明，OsFKBP57和OsFKBP73通过SOS通路抑制盐胁迫下谷蛋白的合成。

图5  OsFKBP57和OsFKBP73敲除增加盐胁迫下籽粒谷蛋白含量

研究首次鉴定了两个FK506结合蛋白OsFKBP57和OsFKBP73作为连接水稻耐盐性与籽粒品质的分子枢纽。在盐胁迫下，这两个蛋白通过双重机制发挥作用：一方面与OsSOS2互作，增强OsSOS3-OsSOS2复合体稳定性，促进SOS1介导的Na⁺外排和液泡区隔化，从而降低胞内Na⁺毒性；另一方面与支链氨基酸转氨酶OsBCAT1互作并抑制其酶活，减少籽粒中氨基酸的积累，进而降低谷蛋白合成和总蛋白含量，维持优良的食味品质。SOS通路不仅在离子稳态中起核心作用，还通过调控GluA1表达参与籽粒蛋白代谢，这一发现拓展了SOS信号通路的生物学功能。研究填补了盐胁迫下品质形成调控机制的知识空白，为培育“既耐盐又好吃”的水稻品种提供了可编辑的分子靶点。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101934

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