經典的細胞分裂素訊號轉導依賴於組氨酸受體激酶HK、組氨酸磷酸轉移酶HP，以及細胞分裂素響應因子RR中的組氨酸（H）和天冬氨酸（D）之間磷酸基團的轉移，然而這一磷酸中繼（phosphorelay）過程調控的分子機制仍有待探究。在水稻中，細胞分裂素可以顯著調控穗粒數，但對粒重或籽粒大小的調控功能尚不清楚。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員儲成才研究組、研究員張勁松/陳受宜研究組和中國農業科學院研究員童紅寧研究組合作發現，控制籽粒大小的PPKL1是細胞分裂素訊號新組分，PPKL1的D364位點透過引誘細胞分裂素磷酸轉移蛋白AHP2上的磷酸基團，降低從AHP2向細胞分裂素響應因子RR21蛋白的磷酸中繼效率，抑制水稻籽粒發育（如圖）。
研究人員透過大規模誘變，篩選到一個大粒突變體s48並克隆了突變體基因PPKL1，發現其與之前報道的控制水稻籽粒大小的基因GL3.1在同一位點突變，但導致了氨基酸的不同變化。與RR蛋白類似，PPKL1可與AHP2蛋白直接互作，並且D364位點所在區域與RR蛋白的磷酸基團接受域氨基酸組成和序列十分相似，然而D364並不能像RR蛋白一樣接收磷酸基團。當PPKL1-D364存在時，AHP2向RR21的磷酸中繼效率大幅降低，而D364突變後對磷酸中繼沒有影響，相應地籽粒顯著增大。PPKL1-D364可能作為細胞分裂素訊號的關鍵抑制子，避免水稻籽粒的過度發育。
水稻中PPKL家族包含三個成員，均能干擾細胞分裂素磷酸中繼訊號，具有冗餘功能。PPKL1-D364的突變喪失了對磷酸中繼的抑制功能，但由於突變蛋白仍佔據與AHP2互作位置，從而透過顯性負調控機制組成型啟用細胞分裂素訊號，導致籽粒顯著增大。研究以水稻品種空育131為材料，對D364所在區域進行原位基因編輯，獲得多個非移碼突變基因型，可不同程度地增大籽粒，並且與D364突變一樣均為半顯性，部分基因型可顯著增產。該研究中，研究人員共創制了千粒重從20g到38g漸次分佈的水稻材料，暗示PPKL1在作物精準設計育種中具有較大應用潛力。
PPKL家族是油菜素內酯主訊號通路中的重要組分，其羧基端的磷酸酶區域對油菜素內酯訊號傳遞是必需的。D364位點位於氨基端，其對細胞分裂素訊號的抑制並不依賴於磷酸酶活性，暗示PPKL1可能介導了兩大植物激素間的相互作用，為理解油菜素內酯調控細胞分裂的功能提供了線索。PPKL家族蛋白對細胞分裂素訊號抑制作用的功能位點隱藏在油菜素內酯訊號組分中，發掘並利用其對作物進行分子設計改良具有應用價值。
相關研究成果以A Cryptic Inhibitor of Cytokinin Phosphorelay Controls Rice Grain Size為題，線上發表在Molecular Plant上。研究工作得到國家自然科學基金等的資助。
PPKL1調控水稻籽粒大小的競爭抑制分子機制模型
來源：中國科學院遺傳與發育生物學研究所
