水稻N-末端乙酰转移酶基因家族的系统鉴定揭示OsNAA30调控株高与分蘖的分子机制

本研究系统鉴定了水稻N-末端乙酰转移酶（NATs）基因家族，揭示OsNAA30通过调控赤霉素代谢与细胞周期通路影响株高和分蘖数，为水稻株型改良提供重要靶点。

　　

在植物生长发育过程中，蛋白质的翻译后修饰发挥着至关重要的调控作用。其中，N-末端乙酰化（N-terminal acetylation, NTA）是一种广泛存在的修饰方式，由N-末端乙酰转移酶（N-terminal acetyltransferases, NATs）催化完成。尽管NATs在动物和酵母中的功能已有较多研究，但在水稻（Oryza sativa）这一重要粮食作物中，其基因家族尚未得到系统鉴定，各成员的功能及其调控机制更是知之甚少。水稻的株高和分蘖数是构成产量的关键农艺性状，其调控网络复杂，涉及多种激素和遗传通路。解析新的调控因子，对于深入理解水稻株型建成的分子基础并指导分子育种实践具有重要意义。

近期，由Yibin Wang、Haoran Wang、Lu Sun等人完成的研究成果在线发表于《Journal of Integrative Agriculture》。该研究首次对水稻NAT基因家族进行了全基因组范围的鉴定与系统分析，并重点揭示了OsNAA30在调控水稻株高和分蘖方面的关键功能及其作用机制。

研究人员综合利用生物信息学、分子生物学、遗传学及细胞生物学等多学科技术方法开展研究。主要技术包括：利用生物信息学工具对水稻NAT基因家族进行全基因组鉴定、系统进化与共线性分析；通过定量PCR（qPCR）分析基因表达模式；通过原核表达与纯化获得重组蛋白并进行体外酶活检测；利用CRISPR/Cas9技术构建OsNAA30基因敲除突变体；对突变体进行表型观察与细胞学分析；以及利用水稻自然群体进行单倍型分析等。

研究首先对水稻NAT基因家族进行了系统鉴定和生物信息学分析。研究人员在水稻 japonica 基因组中共鉴定出14个OsNAA基因，它们不均匀地分布在12条染色体上。通过系统进化树与保守结构域分析，发现这些催化亚基形成了不同的进化枝，但均保留了各自保守的结构单元。启动子顺式作用元件的分析表明，这些基因的启动子区富含与非生物胁迫响应和生长发育相关的元件，这与其在营养生长和生殖生长不同阶段特异表达的模式相一致。此外，研究还发现多个OsNAA基因的表达受到冷、干旱、NaCl和热胁迫的显著诱导，赤霉素（gibberellin, GA）处理也能在幼苗发育阶段特异性上调部分OsNAA基因的表达。共线性分析进一步揭示，片段重复和单例基因复制事件共同驱动了水稻NAT基因家族的扩张。

研究进而对OsNAA30进行了深入的功能表征。亚细胞定位实验表明OsNAA30蛋白定位于细胞核和细胞质中。体外酶活实验证明其具有典型的NatC活性。为了探究其生物学功能，研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建了OsNAA30的缺失突变体。表型分析发现，与野生型相比，osnaa30突变体的株高显著降低，分蘖数明显减少。进一步的细胞学观察表明，茎节间细胞的伸长受到抑制是导致植株矮化的主要原因。

在机制探索层面，研究结果表明OsNAA30通过影响赤霉素代谢通路和细胞周期调控来发挥作用。在突变体中，赤霉素 catabolism（分解代谢）基因的表达水平上升，可能导致具有生物活性的GA水平下降，从而抑制了细胞的伸长。同时，一些调控植物株高和分蘖的细胞周期相关基因的表达也发生了改变。这表明OsNAA30可能通过抑制GA分解代谢和调控细胞周期进程来正向调节水稻的株高和分蘖。

最后，研究人员对OsNAA30基因进行了单倍型分析，发现该基因的遗传变异与水稻自然群体中株高、秆长和分蘖数的表型变异显著相关。这一发现表明OsNAA30位点可能在水稻植株构型的局部适应中发挥了作用，使其成为一个具有育种应用潜力的重要遗传位点。

综上所述，本研究首次系统鉴定了水稻N-末端乙酰转移酶（NAT）基因家族，并深入解析了OsNAA30的功能。研究结果表明OsNAA30是水稻株高和分蘖数的一个关键正调控因子，其作用机制涉及对赤霉素代谢和细胞周期进程的调控。该研究不仅拓展了我们对蛋白质N-末端乙酰化修饰在植物生长发育中功能的认识，也为水稻株型改良的分子设计育种提供了一个新的靶点基因。OsNAA30的自然变异与重要农艺性状相关联，进一步凸显了其在水稻遗传改良中的应用价值与潜力。