油菜素内酯（BRs）是一类重要的植物生长发育调节激素, 在控制玉米等作物的株高、叶夹角等重要农艺性状中发挥关键作用。近日，河南农业大学苟明月课题组在国际著名学术期刊Nature Communications在线发表了题为“Copine proteins are required for brassinosteroid signaling in maize and Arabidopsis”的研究论文。该研究利用单子叶植物玉米和双子叶植物拟南芥发现Copine蛋白（BONZAI）是BR受体蛋白复合物中的新成员，在BR信号通路中发挥重要作用。
Copine
基因是一个在人、哺乳动物及绿色植物等真核生物中高度保守的基因家族，多项遗传学研究证明其在不同物种中发挥重要功能。在拟南芥Col-0生态型背景中因
Copine
基因的突变导致植株出现生长矮小表型，因此
Copine
基因被命名为
BONZAI
（盆景）。该基因的突变体
bon1-1
表现出局部细胞坏死、病程相关(
PR
)基因上调表达、抗病性增强等自发免疫（autoimmunity）特征，而该突变体的矮小和抗病表型可以被
R
基因
SNC1
和免疫调控因子
PAD4
的基因突变所回复。因此，
BONZAI
基因多年来被认为是植物防御系统的负调控因子，其突变体的矮小表型可能是由于抗病防御反应被激活造成的。而
Copine
蛋白在植物演化过程中是否具有更保守的功能仍不清楚。
本研究通过CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了玉米
BONZAI
同源基因
ZmBON1
和
ZmBON3
的敲除突变体。经鉴定发现玉米
Zmbon1、Zmbon1/3
突变体出现明显的生长矮小表型，但出乎预料的是，突变体并未表现出任何防御反应被激活的表型与生理生化特征。经过大量的田间调查发现，
Zmbon1
的矮小表型伴随着多种BR缺陷突变体的形态特征，因此推测
Zmbon1
的矮小表型可能和BR相关。BR诱发的根抑制实验发现，
Zmbon1
对BR的敏感性下降（图1），证明
ZmBON1
参与了BR信号通路。
为验证
BONZAI
基因参与BR信号通路的生物学功能是否具有保守性，作者对拟南芥
BONZAI
家族成员的突变体进行了BR敏感性测验，发现
bon1-1
、
bon1-2
、
bon1-1 snc1-11
、
bon1-2 bon3-1
等单突变体和双突变体对BR的敏感性均无明显改变。由于拟南芥
BONZAI
家族含有三个成员（
BON1
、
BON2
和
BON3
），但当三个成员均发生突变时会导致幼苗致死，而
PAD4
基因的突变则可部分回复
bon1-1 bon2-2 bon3-3
三突变体的致死表型（图1）。当对
bon1-1 bon2-2 bon3-3 pad4-1
四突变体进行BR敏感性测验时发现，相比于
pad4-1
单突变体，bon1-1 bon2-2 bon3-3 pad4-1四突变体表现出明显的BR不敏感表型（图1）。这些结果表明
BONZAI
基因家族成员存在功能冗余，其参与
BR信号通路的生物学功能在双子叶植物拟南芥中具有保守性。
图1：玉米和拟南芥
BONZAI
基因参与BR信号通路
进一步的生化与分子生物学研究表明，BONZAI通过和油菜素内酯共受体SERKs蛋白直接互作，影响BRI1-SERKs受体蛋白复合体的形成，进而影响BR受体BRI1与共受体SERKs间的交互磷酸化及下游信号分子的磷酸化级联反应，最终通过对整个BR信号通路的影响调控植物生长发育（图2）。该研究挖掘到植物BR信号通路的重要新成员，揭示了
Copine
基因在植物中具有保守的生物学功能，为该领域的研究提供了全新的思路，为在玉米等作物中通过对BR信号通路的调控改良重要农艺性状提供了新靶标。
图2：
BONZAI
参与BR信号通路的机制模型
河南农业大学农学院在读博士生
荆腾
和
武玉莹
为共同第一作者，河南农业大学
苟明月
教授为论文通讯作者。美国康奈尔大学
华健
教授、中国农业大学
杨淑华
教授、河南农业大学
王道文
研究员和
汤继华
教授等参与了该项研究。河南农业大学为第一作者单位。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、河南省杰青、“中原千人计划”中原青年拔尖人才、河南省重大科技专项等项目的资助。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46289-6
https://nongxue.henau.edu.cn/a/jiaoshifengcai/zuowujiyinzuxueyufenziyuzhongzhon/2018/0329/4328.html
