南湖新闻网讯（通讯员 欧阳亦聃 孙生远）3月15日，华中农业大学张启发、欧阳亦聃团队联合扬州大学严长杰、孙生远团队在植物学期刊Plant Cell发表题为"Novel repetitive elements in plant-specific tails of Gγ proteins as the functional unit in G-protein signalling in crops"的研究论文。

G蛋白作为生物体内关键的信号传导枢纽，通过异源三聚体结构Gα、Gβ、Gγ调控细胞对外界环境的响应。早在1997年，华中农业大学水稻团队鉴定了负调控种子大小的基因Grain size 3（GS3），并于2006年克隆了该基因，其编码非典型的Gγ亚基。2010年，研究证实GS3的负调控功能由N端结构域（头）决定，而C端结构域（尾）具有抑制N端功能的作用。2018年，研究发现Gγ蛋白GS3、DEP1和GGC2互相拮抗共同调控种子的大小。2021年，中科院植物研究所与华中农业大学合作揭示了GS3蛋白稳定性的调控机制。2023年，中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业大学与华中农业大学等单位合作阐明了AT1/GS3调控作物耐碱的分子机制及其育种价值。

前期工作中，研究团队发现Gγ蛋白GS3、DEP1和GGC2的功能存在分化：GS3的尾巴负调控蛋白稳定性，而DEP1的尾巴对其正调控种子大小的功能至关重要。这些不同的Gγ蛋白是如何产生的，决定它们功能分化的关键变异以及演化机制又是什么？

图1. Gγ蛋白的起源演化过程

为了回答这一疑问，研究团队深入分析了其演化路径，发现这三个互相拮抗的Gγ亚基的功能多样性源于独特的演化路径（图1）：1.3亿年前，单子叶植物祖先通过σ复制事件由一个拷贝产生了DEP1和GS3的祖先基因；7000万年前，禾本科再次发生ρ复制事件，DEP1复制产生了GGC2，这一分支在其尾部插入了多个活跃的重复序列元件，导致尾部逐渐延长；而GS3的祖先复制为两个Gγ蛋白后，丢失了一个拷贝；最终水稻保留了DEP1、GGC2和GS3三个Gγ蛋白。约500万至1200万年前，玉米ZmDEP1基因再次发生复制，产生了新的Gγ蛋白成员。这种“复制与重复元件协同驱动”的演化模式赋予了Gγ蛋白独特的尾部结构。

那么新产生的“尾巴”在Gγ信号转导中有何作用呢？研究人员构建了多个头尾互换的Gγ蛋白嵌合体，证实尾部是决定GS3与DEP1、GGC2功能分化的关键（图2）。进一步通过操纵尾部重复序列的缺失与插入，发现重复序列其邻近结构的改变可决定Gγ蛋白功能的极性转换。此外，N端“头部”负责与Gβ结合形成异源二聚体，二者互作减弱会降低G蛋白的信号传导。玉米的同源Gγ蛋白在信号传递机制上与水稻一致，表现出高度的保守性，进一步证实了同源蛋白功能分化在禾本科中的保守性。

图2. Gγ蛋白的功能演变

本研究揭示了C端结构域的功能分化决定G蛋白βγ二聚体的功能选择，为利用基因编辑技术对Gγ尾部进行模块化改造、协同改良作物产量和抗逆性等重要农艺性状提供了理论基础。

扬州大学孙生远副教授和硕士研究生程金良为共同第一作者；华中农业大学欧阳亦聃教授、张启发院士与扬州大学严长杰教授为共同通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koaf052

审核：欧阳亦聃

参考文献：

1. Shengyuan Sun^#, Jinliang Cheng^#, Yiwen Zhang, Yifei Wang, Lei Wang, Tian Wang, Zhengji Wang, Xu Li, Yong Zhou, Xianghua Li, Jinghua Xiao, Changjie Yan*, Qifa Zhang*, Yidan Ouyang*. Novel repetitive elements in plant-specific tails of Gγ proteins as the functional unit in G-protein signalling in crops, The Plant Cell, 2025, koaf052, https://doi.org/10.1093/plcell/koaf052

2. Huili Zhang^#, Feifei Yu^#*, Peng Xie^#, Shengyuan Sun^#, Xinhua Qiao^#, Sanyuan Tang, Chengxuan Chen, Sen Yang, Cuo Mei, Dekai Yang, Yaorong Wu, Ran Xia, Xu Li, Jun Lu, Yuxi Liu, Xiaowei Xie, Dongmei Ma, Xing Xu, Zhengwei Liang, Zhonghui Feng, Xiahe Huang, Hong Yu, Guifu Liu, Yingchun Wang, Jiayang Li, Qifa Zhang, Chang Chen, Yidan Ouyang* and Qi Xie*. A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops. Science, 2023, 379: eade8416

3. Shengyuan Sun, Lei Wang, Hailiang Mao, Lin Shao, Caiguo Xu, Xianghua Li, Jinghua Xiao, Yidan Ouyang* and Qifa Zhang*. A G-protein pathway determines grain size in rice. Nature communications, 2018, 9:851

4. Wensi Yang, Kun Wu, Bo Wang, Huanhuan Liu, Siyi Guo, Xiaoyu Guo, Wei Luo, Shengyuan Sun, Yidan Ouyang, Xiangdong Fu, Kang Chong, Qifa Zhang*, Yunyuan Xu*. The RING E3 ligase CLG1 targets GS3 for degradation via the endosome pathway to determine grain size in rice. Molecular Plant, 2021, 14(10): 1699-1713

5. Hailiang Mao, Shengyuan Sun, Jialing Yao, Chongrong Wang, Sibin Yu, Caiguo Xu, Xianghua Li, Qifa Zhang*. Linking differential domain functions of the GS3 protein to natural variation of grain size in rice. Proc Natl Acad Sci USA, 2010, 107:19579-19584.

6. Chuchuan Fan, Yongzhong Xing, Hailiang Mao, Tingting Lu, Bin Han, Caiguo Xu, Xianghua Li, Qifa Zhang*. GS3, a major QTL for grain length and weight and minor QTL for grain width and thickness in rice, encodes a putative transmembrane protein. Theoretical and Applied Genetics, 2006, 112(6): 1164-1171