GhBIN2介导的磷酸化调控网络在棉花单细胞纤维伸长中的机制研究

这篇研究通过4D-fastDIA定量磷酸化蛋白质组学技术，揭示了棉花纤维伸长过程中GhBIN2（BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 2）介导的磷酸化调控网络。研究发现GhBIN2通过磷酸化其底物GhIQD14（IQ-DOMAIN 14）负调控纤维伸长，为理解油菜素内酯（BR）信号通路中蛋白激酶的作用提供了新视角，并为作物遗传改良提供了潜在靶点。

　　

GhBIN2：棉花纤维伸长的磷酸化调控枢纽

作为植物特有的类固醇激素，油菜素内酯（BR）通过复杂的信号网络调控细胞伸长等发育过程。这项研究以棉花单细胞纤维为模型，聚焦GSK3家族关键成员GhBIN2，系统解析了其在纤维伸长中的磷酸化调控机制。

负调控因子的发现与验证

通过基因组分析鉴定到6个AtBIN2同源基因，其中GhSK21（重命名为GhBIN2）在短纤维品种中显著高表达。构建TRKE序列突变的Ghbin2过表达株系后，观察到纤维起始延迟、伸长受抑制的表型，而沉默该基因则促进纤维伸长。体外胚珠培养实验证实，GSK家族特异性抑制剂Bikinin可恢复Ghbin2株系的纤维伸长缺陷，而外源BL（brassinolide）处理对其影响微弱，表明GhBIN2通过典型BR信号通路发挥作用。

磷酸化图谱的全局解析

4D-fastDIA技术鉴定到25,106个磷酸化位点，其中Ghbin2株系在10 DPA和15 DPA纤维中分别存在873和1,501个差异位点。Motif分析发现GhBIN2偏好识别SXXXS（如XXXRPXSP）、PXS/TP等磷酸化序列，这些特征与ERK、CDK等激酶底物重叠，暗示其可能作为"磷酸化级联核心"。亚细胞定位显示核蛋白占比最高（约30%），功能聚类揭示这些磷酸化蛋白参与微管组织、RNA剪接、泛素化降解等过程。

关键底物GhIQD14的调控机制

多组学整合筛选出6个磷酸化与蛋白丰度同步变化的候选底物。通过Y2H、Split-LUC和体外pull-down实验证实GhBIN2特异性结合微管相关蛋白GhIQD14。激酶实验显示GhBIN2可磷酸化GhIQD14第97位丝氨酸（S97），而S97A突变体则丧失该特性。表型分析表明，过表达GhIQD14导致纤维缩短，其磷酸化模拟突变体（GhIQD14-P）在拟南芥中表现出更显著的根毛抑制效应，提示磷酸化增强其功能活性。

多维调控网络的构建

研究还发现GhBIN2通过磷酸化间接影响其他激酶活性，形成级联调控：

1. 1.

   直接调控细胞骨架相关蛋白（如GhIQD14）影响微管排列

2. 2.

   修饰RNA剪接因子（如PRL19B）参与转录后调控

3. 3.

   通过磷酸化-泛素化交叉对话（如PUB40）控制蛋白稳定性

   这些途径共同构成"磷酸化-微管-表观遗传"三维调控网络，为作物纤维性状改良提供了多靶点策略。

理论突破与应用前景

该研究首次在单细胞水平绘制棉花纤维磷酸化调控图谱，揭示GhBIN2通过"一因多效"机制协调纤维伸长。发现的SXXXS等保守磷酸化序列为设计激酶特异性抑制剂提供新思路，而GhIQD14等靶点的鉴定则为分子设计育种开辟了途径。这些发现不仅深化了对BR信号通路的认识，也为其他作物细胞伸长研究提供了范式参考。