近日，bevictor伟德万建民院士团队联合中国农业科学院作物科学研究所，在国际知名植物生物技术期刊《Plant Biotechnology Journal》上发表了一项关于水稻粒型调控的重要研究成果。研究揭示了一对名为SINA3和SINA5的E3泛素连接酶，通过精准“踩刹车”的方式控制水稻关键蛋白的降解，进而决定稻米籽粒的大小与重量。这一发现为通过分子设计育种提升水稻产量提供了全新的策略。

水稻是我国乃至全球最重要的粮食作物之一，粒型和粒重直接决定着稻米的产量与品质。在过去几十年中，科学家们已经鉴定出大量调控水稻籽粒大小的基因，但这些基因如何被精确调控——即谁来给它们“发指令”、谁来“踩刹车”——一直是领域内的关键科学问题。

万建民院士团队长期致力于水稻产量与品质性状的遗传解析。在本次研究中，团队以调控水稻穗型和粒型的核心蛋白DEP2为突破口，通过酵母双杂交筛选，成功“捕获”了两个与DEP2紧密结合的E3泛素连接酶——SINA3和SINA5。泛素化降解被誉为细胞内的“垃圾处理系统”，而E3泛素连接酶就是这套系统中的“识别标签员”。研究团队通过一系列精巧的生化实验证实，SINA3和SINA5能够特异性地给DEP2蛋白打上K48连接的多聚泛素化“标签”，将其送入26S蛋白酶体进行降解。也就是说，SINA3和SINA5充当了DEP2蛋白的“分子刹车”，通过降解DEP2蛋白来负向调控籽粒的发育。

为验证这一机制在水稻中的真实作用，研究团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，分别创制了敲除SINA3、SINA5以及两者同时敲除的水稻材料。田间表型分析显示，当SINA3和SINA5的功能丧失后，DEP2蛋白在体内显著积累，水稻籽粒明显变宽变大，千粒重也显著提高。相反，过表达SINA3或SINA5的水稻植株，抑制了籽粒发育，导致粒型和粒重同步减小。通过扫描电镜观察，研究者还发现这类调控主要是通过影响颖壳细胞的膨大来实现的。

E3泛素酶SINA3和SINA5调控水稻粒重的分子机制

值得注意的是，此前已有研究发现另一个E3连接酶OsRING80也能够降解DEP2，但它主要在抗病免疫中发挥作用，并不影响籽粒发育。而SINA3和SINA5则专门在籽粒发育过程中“接管”了对DEP2的负向调控职责，揭示了一条此前未知的专门化调控路径。

这项研究最有意思的地方在于，他们找到了一个可以精细调控产量的‘分子旋钮’。通过适度调节SINA3/SINA5的表达水平，也许能够在保持植株其他优良性状不变的前提下，实现粒重的定向改良。这为水稻高产分子设计育种提供了一个清晰的可操纵靶点。

该研究还通过液相色谱-质谱联用技术，精准鉴定出DEP2蛋白C1结构域内被泛素化的关键赖氨酸位点，进一步阐明了这一调控模块的作用界面。这些发现不仅加深了人们对水稻籽粒发育调控网络的理解，也为其他禾谷类作物的粒型改良提供了重要的理论借鉴。

已毕业博士生伍洪铭、中国农业科学院作物科学研究所博士生孙榭君和王昕副研究员为论文共同第一作者，bevictor伟德万建民院士，江玲教授和中国农业科学院作物科学研究所任玉龙研究员为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、生物育种国家科技重大专项以及江苏省重点研发计划等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70723