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异源三聚体 G 蛋白（Heterotrimeric G proteins）在植物生长发育中至关重要，但在豆科植物产量相关性状调控方面研究较少。本研究通过构建蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）MtGa1、MtGb1 和 MtRGS1 基因敲除突变体，发现它们在植株形态、结瘤等方面作用各异，为解析 G 蛋白分子机制提供资源。
在神奇的植物世界里，有一种叫做异源三聚体 G 蛋白（Heterotrimeric G proteins）的 “神秘使者”，它能在植物细胞中传递信号，对植物的生长发育、应对外界刺激等起着关键作用。就像一支无形的指挥棒，调控着植物的方方面面。然而，科学家们发现，在豆科植物这个大家族中，虽然 G 蛋白也在默默发挥作用，但它在调控各种与产量相关性状方面的具体机制，却如同被迷雾笼罩，鲜为人知。这可让科学家们犯了难，因为豆科植物不仅营养丰富，还能与固氮菌 “携手合作” 进行共生固氮，在保障粮食安全和推动可持续农业发展中占据着重要地位。要是能揭开 G 蛋白在豆科植物中的神秘面纱，了解它是如何调控产量相关性状的，那对于提高豆科作物产量、优化农业生产可有着不可估量的价值。
于是，中国农业大学的研究人员决心踏上探索之旅，解开这个谜团。他们选择了蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）作为研究对象，这是一种理想的豆科模式植物，就像一把开启豆科植物奥秘之门的钥匙。研究人员聚焦于两个 G 蛋白编码基因 MtGa1、MtGb1 以及 G 蛋白信号调节因子 1（Regulator of G - protein Signaling1，MtRGS1），深入分析它们的功能。
研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术，如同精准的 “基因剪刀”，构建了 Mtga1、Mtgb1 和 Mtrgs1 基因敲除突变体。通过一系列细致的观察和实验，他们收获了许多重要发现。在植株形态方面，MtGa1 敲除后，植株会稍微变矮，豆荚变小、刺变短，但种子却更大；MtGb1 敲除则导致植株矮化，根系发育不良，生物量大幅下降，豆荚和种子都变小；而 Mtrgs1 突变体与野生型植株在生长发育上差异不大。在共生结瘤方面，Mtgb1 突变体的根瘤变轻，结瘤数量减少，而 Mtga1 和 Mtrgs1 突变体的结瘤表型与野生型相似。这一系列结果表明，MtGb1 在调节蒺藜苜蓿的共生结瘤过程中起着积极作用。这一研究成果发表在《aBIOTECH》上，为进一步研究 G 蛋白在豆科植物中的作用提供了宝贵的遗传资源和理论基础，有助于深入理解 G 蛋白的分子机制，为豆科作物的遗传改良开辟新的道路 。
研究人员开展研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是利用 BLAST 工具和 MEGA 11 软件进行同源基因鉴定和系统发育分析，从而确定蒺藜苜蓿中 G 蛋白亚基和 MtRGS1 基因；接着通过 CRISPR/Cas9 技术构建基因敲除突变体；然后运用实时荧光定量 PCR（RT - qPCR）检测基因表达水平；最后借助免疫印迹分析、亚细胞定位等实验手段对相关蛋白进行研究。
下面来详细看看研究结果：
- G 蛋白成分分析：研究人员通过 BLAST 搜索和系统发育树重建，发现蒺藜苜蓿基因组中存在两个 Ga 基因、一个 Gb 基因和一个 RGS 基因。进一步的蛋白质结构预测表明，MtGa2 可能并非功能性 Ga 蛋白，因此研究主要聚焦于 MtGa1、MtGb1 和 MtRGS1123。
- 基因表达模式：通过 RT - qPCR 分析发现，MtGa1、MtGb1 和 MtRGS1 在根、茎、叶、花和豆荚等多种组织中均有表达，其中 MtGb1 表达量最高。亚细胞定位实验显示，MtGa1 和 MtRGS1 定位于质膜，而 MtGb1 在细胞核、细胞质和质膜均有分布456。
- 突变体构建与表型分析：利用 CRISPR/Cas9 技术成功构建了 Mtga1、Mtgb1 和 Mtrgs1 突变体。表型分析发现，MtGa1 和 MtGb1 影响植株形态，MtGb1 突变体植株明显矮化，生物量降低；MtGa1 和 MtGb1 还调控豆荚发育和种子大小，Mtga1 突变体种子变大，Mtgb1 突变体种子变小；MtGb1 正向调控结瘤，Mtgb1 突变体结瘤数量减少，根瘤鲜重降低789。
研究结论和讨论部分指出，蒺藜苜蓿中核心经典 G 蛋白组成相对简单。MtGa1、MtGb1 和 MtRGS1 广泛表达，在植物生长发育中发挥重要作用，且三者功能存在差异。与其他植物相比，蒺藜苜蓿 G 蛋白突变体表型既有相似之处，也有独特差异，这凸显了 G 蛋白信号通路的复杂性。此外，研究还发现 MtGb1 在调控植株高度、根长、共生结瘤、叶片大小、豆荚和种子发育等方面发挥着关键作用，而 MtGa1 对豆荚和种子发育的调控呈现出独特模式。这些发现不仅拓宽了人们对豆科植物中 G 蛋白生物学功能的理解，更为深入探究其分子机制奠定了坚实基础，为未来豆科作物的遗传改良和农业生产的可持续发展提供了重要的理论依据和潜在的基因资源 。
