番茄G蛋白γ亚基GGC1通过CPK28-PIP1;2通路调控植物活力与光合作用的分子机制

本研究针对作物生长和产量提升的关键问题，揭示了番茄G蛋白γ亚基GGC1在驯化过程中被选择，通过抑制CPK28介导的PIP1;2磷酸化负调控植物活力。研究人员发现ggc1突变体表现出增强的光合作用和产量，而gga1/ggb1/ggb2三突变体则导致幼苗致死。该研究阐明了G蛋白信号转导与光合作用调控的新机制，为高产品种培育提供了新靶点。

　　

在全球人口持续增长和气候变化背景下，如何提高作物产量成为重大挑战。植物活力（plant vigor）作为决定生长速率和生产力的关键性状，其调控机制尚不完全清楚。异源三聚体G蛋白（heterotrimeric G proteins）由α、β和γ亚基组成，在感知CO₂、光强和温度等环境信号中起重要作用，但γ亚基的功能多样性及其下游机制仍待阐明。番茄作为全球最重要的蔬菜作物，其基因组编码四种Gγ亚基（GGA1、GGB1、GGB2和GGC1），但它们在调控植物活力中的作用机制尚未被探索。

为回答这些问题，Xiao Liang等研究人员在《Cell Reports》发表了题为"Functional divergence of G protein γ subunits drives plant vigor and improvement through the CPK28-PIP1;2 pathway in tomato"的研究论文。该研究通过CRISPR-Cas9基因编辑构建多种Gγ亚基突变体，结合生理表型分析、蛋白互作检测（包括BiFC、Split-Luc和Co-IP）、磷酸化分析和转录组测序等技术，系统研究了番茄Gγ亚基的功能差异及其分子机制。研究使用的番茄材料主要为Condine Red(CR)背景，包括单突变体、多突变体组合以及病毒诱导基因沉默(VIGS)植株。

Gγ亚基在调控番茄植物活力中功能分化

研究发现gga1/ggb1/ggb2三突变体和gga1/ggb1/ggb2/ggc1四突变体表现出与Gβ亚基slgb1突变体类似的严重生长缺陷，在播种后14天出现茎尖致死（shoot apex lethality），35天幼苗致死。相反，ggc1单突变体表现出增强的植物活力，包括扩大的茎尖分生组织（shoot apical meristem）、提高的光合作用参数（气孔导度、净光合速率和CO₂同化率）以及增加的农艺性状（干重、单株果数和产量）。这些结果表明GGA1、GGB1和GGB2正向调控植物活力，而GGC1起负调控作用。

GGC1在番茄驯化过程中被选择且其突变提高果实大小和品质

通过对551份番茄种质的核苷酸多态性分析，发现GGC1基因组区域在驯化过程中受到选择。GGC1在野生型番茄（Solanum pimpinellifolium, PIM）和樱桃番茄（S. lycopersicum var. cerasiforme, CER）果实中的表达量显著高于大果栽培番茄（S. lycopersicum, BIG）。ggc1突变体果实更大，直径和鲜重显著增加，但成熟过程不受影响。代谢分析显示ggc1突变体果实中可溶性糖（果糖、葡萄糖和蔗糖）和有机酸（苹果酸和柠檬酸）含量降低，但糖酸比保持不变。值得注意的是，类胡萝卜素（番茄红素、β-胡萝卜素和叶黄素）和维生素C含量在ggc1突变体果实中显著提高，表明GGC1突变可同时改善果实大小和营养品质。

GGC1抑制其他Gγ亚基（GGA1、GGB1和GGB2）与SIGB1的相互作用

通过多种蛋白互作分析方法（BiFC、Split-Luc、Y2H、Y3H、GST pull-down和Co-IP）发现，GGA1、GGB1和GGB2与Gβ亚基SIGB1在质膜、细胞质和细胞核中强烈互作，而GGC1仅与SIGB1在质膜上互作。重要的是，GGC1存在时会抑制其他三种Gγ亚基与SIGB1的相互作用，表明GGC1可能通过破坏SIGB1与其他Gγ亚基（植物活力的正调控因子）的功能关联来发挥负调控作用。

Gγ亚基影响蛋白磷酸化和光合作用相关通路

转录组分析显示，与野生型相比，gga1/ggb1/ggb2三突变体和ggc1突变体中分别有7,553和772个基因差异表达，GO分析显示这些基因富集于蛋白磷酸化和光合作用相关过程。通过Y2H筛选鉴定出405个GGC1互作蛋白候选，包括水通道蛋白质膜内在蛋白1;2（PIP1;2）、钙依赖性蛋白激酶28（CPK28）和GGB1。

GGC1与PIP1;2-CPK28复合体互作并抑制PIP1;2磷酸化

研究发现GGC1与PIP1;2、CPK28在质膜和细胞质中强烈互作，且CPK28能磷酸化PIP1;2但不磷酸化GGC1。GGC1减弱CPK28-PIP1;2互作，显著抑制CPK28介导的PIP1;2磷酸化，但不影响CPK28自身激酶活性。LC-MS/MS分析鉴定出PIP1;2的两个磷酸化位点：酪氨酸-171（Y171）和苏氨酸-172（T172）。点突变实验表明CPK28主要在T172位点磷酸化PIP1;2。使用PIP1;2T172特异性磷酸化抗体发现，ggc1突变体中PIP1;2在T172位点的磷酸化增强，而gga1/ggb1/ggb2三突变体中减弱。瞬时过表达实验显示，组成型磷酸化模拟突变体（OE-PIP1;2T172D）表现出增强的光合效率和加速的植物生长，证实T172磷酸化位点是光合作用优化的关键调控点。

CPK28和PIP1;2正向调控番茄生长和光合作用

cpk28突变体表现出生长受阻、光合作用降低、果实变小和产量下降。在ggc1突变体和野生型植株中沉默PIP1;2基因，发现PIP1;2沉默可逆转ggc1突变体增强的生长和光合作用表型，证实PIP1;2位于GGC1下游正向调控生长和光合作用。

研究结论表明，番茄Gγ亚基GGC1在驯化过程中被选择，通过两种机制调控植物活力：一方面抑制其他三种Gγ亚基（GGA1、GGB1和GGB2）与Gβ亚基SIGB1的相互作用；另一方面通过抑制CPK28介导的PIP1;2在T172位点的磷酸化，从而负调控光合作用和植物活力。该研究不仅阐明了G蛋白信号转导调控植物活力的新机制，还提出了通过操纵Gγ亚基（如敲除GGC1或激活PIP1;2 T172位点磷酸化）来增强作物光合效率和产量的策略，为应对全球粮食安全挑战提供了新思路。