《Plant Physiology and Biochemistry》：The LRR receptor-like kinase OsXIAO regulates rice root growth by interacting with auxin transporter OsPIN1a
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本研究针对水稻根系发育调控机制不清的问题，通过分子遗传学、蛋白互作和磷酸化修饰分析，发现LRR受体激酶OsXIAO与生长素转运蛋白OsPIN1a互作，调控其第284位苏氨酸和第288位丝氨酸磷酸化水平，影响生长素运输和根系构型。OsXIAO功能缺失导致根系短小弯曲、向地性异常和产量下降，而过表达显著促进根系生长和谷物产量。该研究为作物根系改良和增产提供了新靶点。
根系是植物的"隐藏引擎"，它不仅锚定植株、吸收水分养分，更是感知环境信号的核心器官。对于全球半数人口的主粮水稻而言，优化根系构型是提高抗逆性和产量的关键策略。然而，水稻根系发育的分子调控网络，尤其是蛋白磷酸化如何精细调控生长素（IAA）运输，仍是未完全揭开的谜题。生长素作为指导根系发育的"指挥官"，其空间分布由PIN家族转运蛋白主导，而蛋白激酶介导的磷酸化修饰则是调控PIN功能的重要开关。此前研究表明，拟南芥中多个激酶可通过磷酸化PIN蛋白调控生长素运输，但水稻中此类调控机制仍知之甚少。
为解决这一科学问题，河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所丁晶丽等人在《Plant Physiology and Biochemistry》发表研究，揭示了LRR受体激酶OsXIAO通过磷酸化生长素转运蛋白OsPIN1a调控水稻根系发育的新机制。研究人员综合利用CRISPR/Cas9基因编辑、转录组与磷酸化蛋白质组学、酵母双杂交(Y2H)、双分子荧光互补(BIFC)和荧光素酶互补(LUC)等关键技术，结合石蜡切片、淀粉粒染色和生长素含量测定等经典方法，系统解析了OsXIAO的生物学功能。
3.1. 短根突变体的鉴定
通过筛选T-DNA插入突变体库，发现编号n40的突变体呈现典型的根系发育缺陷：主根缩短44.28%，根角分布异常（野生型70-90°根占比88.9%，而n40中仅14.3%），根系表面积、体积和根尖数显著降低。石蜡切片显示n40根尖细胞排列松散紊乱，淀粉粒染色证实其重力感知能力受损。大田试验进一步表明n40植株矮小、产量降低51.7%。
3.2. 候选基因的分离
TAIL-PCR和共分离分析将突变位点定位至OsXIAO（LOC_Os04g48760）的3‘-UTR区域。该基因编码LRR类受体激酶，n40突变体中其表达量降至野生型的16%。功能互补实验和CRISPR/Cas9敲除株系（CR-1/CR-2）均重现短根表型，证实OsXIAO是调控根系发育的关键基因。
3.3. OsXIAO的表达模式与亚细胞定位
qPCR分析发现OsXIAO在根系高表达，且受IAA诱导。启动子驱动GFP融合蛋白实验显示OsXIAO定位于质膜，在根表皮、皮层、中柱等所有细胞层均有分布。
3.4. OsXIAO对水稻生长和产量的影响
过表达株系（OE-1/OE-2）根系角度更优（>90%根处于70-90°），主根长度增加22.4-28.1%，植株生物量和产量提升51.6-64.3%。相反，突变体根系偏角增大（0-30°根占比达2.3-8.3%），产量性状全面恶化。
3.5. OsXIAO参与生长素响应
酶联免疫检测发现n40根尖IAA含量降至野生型49%，而过表达株系上升36.7-49.5%。DR5:GFP报告系统进一步证实突变体根尖生长素信号减弱。IAA处理实验显示n40对生长素敏感性降低。转录组分析鉴定出37个生长素相关基因差异表达，包括YUC5、PIN5A等合成与运输基因。
3.6. 磷酸化蛋白质组学分析
磷酸化质谱鉴定到58个磷酸化水平下调的蛋白，其中OsPIN1a第284位苏氨酸（Thr284）和第288位丝氨酸（Ser288）磷酸化水平显著降低，提示其可能是OsXIAO的底物。
3.7. OsXIAO与OsPIN1a的互作验证
Y2H、LUC和BIFC实验共同证实OsXIAO与OsPIN1a在质膜直接互作。BIFC显示互作信号集中于细胞膜结构。
3.8. OsPIN1a的表达与定位分析
OsPIN1a与OsXIAO相似，在根系高表达且受IAA诱导。GFP标记发现OsPIN1a定位于质膜，但在n40突变体中蛋白量显著降低，尤其在中柱区域，表明OsXIAO可能通过磷酸化稳定OsPIN1a蛋白。
3.9. OsPIN1a突变体的表型分析
CRISPR敲除OsPIN1a导致根系角度异常、生物量下降，证实其参与根系构型建成。
讨论与结论
本研究首次揭示OsXIAO-OsPIN1a模块通过磷酸化调控生长素运输的新途径。OsXIAO作为膜定位激酶，直接磷酸化OsPIN1a并增强其稳定性，促进生长素向根尖运输，从而调控根系向地性和伸长生长。该机制串联了蛋白磷酸化修饰与激素运输两大关键过程，为理解作物根系发育提供了新视角。值得注意的是，OsXIAO此前被报道参与油菜素内酯（BR）信号传导，本研究发现的生长素调控功能提示其可能整合BR与生长素交叉对话，这为作物激素互作网络研究开辟了新方向。研究成果不仅深化了对水稻根系发育的理论认知，更为分子设计育种改良根系构型、提升产量提供了重要靶点基因。
