aBIOTECH | 董江丽团队利用CRISPR/Cas9技术构建截形苜蓿G蛋白突变体并揭示其生物学功能

异源三聚体G蛋白是重要的信号传导调节子，在质膜接收信号并将信号传递至下游。近年来，科学家们对植物G蛋白的研究涉及到了很多物种，包括拟南芥、玉米、水稻、大豆、番茄、黄瓜、小麦等，结果表明G蛋白调控网络在不同植物中既存在普遍性，也存在物种特异性。迄今为止，对豆科植物G蛋白的研究还知之甚少。深入探究豆科植物G蛋白的功能可以为建立高效共生固氮体系和提高作物产量提供重要的理论价值。

近日，中国农业大学生物学院董江丽教授团队在aBIOTECH 发表了题为“Heterotrimeric G-protein subunits regulate plant architecture, pod development, seed size, and symbiotic nodulation in Medicago truncatula” 的研究论文。在该研究中，作者以豆科模式植物截形苜蓿为研究对象，利用CRISPR/Cas9技术构建了G蛋白亚基Gα和Gβ以及G蛋白信号调节蛋白RGS的突变体Mtgα1、Mtgβ1和Mtrgs1，探究了G蛋白亚基对截形苜蓿生长发育和共生固氮的影响。这些苜蓿突变体遗传材料的获得为深入解析豆科植物G蛋白的功能提供了宝贵的遗传资源。

作者首先构建了系统进化树并对蛋白结构进行分析，发现截形苜蓿中具有1个典型Gα亚基、1个Gβ亚基和1个RGS蛋白。MtGα1、MtGβ1和MtRGS1三个基因在根、茎、叶、花和果荚中均有表达。相对于MtGα1和MtRGS1基因，MtGβ1在这些组织中的表达量较高。亚细胞定位结果显示，MtGα1和MtRGS1定位于细胞膜，MtGβ1在细胞膜、细胞质和细胞核均有定位。

为了进一步探索G蛋白在截形苜蓿中的功能，作者对Mtgα1、Mtgβ1和Mtrgs1敲除突变体进行了一系列生长发育表型分析实验，结果表明MtGβ1对生长发育的影响最为显著。在截形苜蓿中敲除MtGβ1尽管不会像在水稻、玉米和番茄等物种中引起植株死亡，但会表现出严重的生长发育缺陷：植株结构整体变小，包括较小较圆的叶片、植株矮化、较少的分枝数、较低的生物量、较小的果荚及较短的刺和较小且较轻的种子。Mtgα1突变体呈现出卷曲的圆润的小叶和轻微的矮化，果荚变小且刺变短，种子变大。相较而言，MtRGS1对生长发育的影响较小。作者也深入探究了G蛋白在共生固氮中的作用。检测接种根瘤菌Sm1021后MtGα1、MtGβ1和MtRGS1三个基因的表达量变化，发现MtGα1的表达水平会有一个上升的过程，之后回落到接种前的基础水平，MtGβ1则呈现表达量降低的趋势。对突变体进行共生固氮表型分析实验，发现Mtgβ1突变体的根瘤鲜重降低，植株的总固氮能力降低，而Mtgα1和Mtrgs1突变体的结瘤数目、根瘤鲜重和固氮能力与野生型相似。这些结果表明MtGβ1在截形苜蓿中正调控共生固氮。

图1 截形苜蓿中MtGα1和MtGβ1影响的性状总结

综上所述，该研究采用反向遗传学方法获得了截形苜蓿G蛋白的突变体，通过一系列表型分析发现MtGβ1和MtGα1对植株结构、果荚发育和种子大小有重要作用；MtGβ1对共生固氮有显著作用。截形苜蓿G蛋白的功能与其他物种有相似之处，也有独特之处，其独特的功能如G蛋白对果荚、种子和根系发育的调控机制值得进一步研究。

该研究得到了内蒙古自治区“揭榜挂帅”项目、国家自然基金项目、国家重点研发项目等项目的资助。中国农业大学生物学院董江丽教授为通讯作者，中国农业大学生物学院博士生孙方皓为本文的第一作者，该团队已毕业的博士祝富贵、博士生冉沙沙、青年研究员叶沁怡和王涛教授也参与了该研究。

引用本文：Sun, F., Zhu, F., Ran, S. et al. Heterotrimeric G-protein subunits regulate plant architecture, pod development, seed size, and symbiotic nodulation in Medicago truncatula. aBIOTECH (2025). https://doi.org/10.1007/s42994-025-00210-x

王涛/董江丽团队介绍

王涛/董江丽教授团队长期致力于苜蓿基础研究、技术创新和生物育种，取得了系列成果：

1、逆境生物学方面，发现胞质氧化还原感受器APT1并系统解析了脂锚定转录因子ATAF亚家族通过APT-NAC模块抵抗非生物胁迫的共性机制（Plant Cell, 2017/2024；Nat commun, 2023等）。

2、共生固氮方面，率先绘制了苜蓿根瘤单细胞转录组图谱，发现了非固氮细胞在共生固氮中的重要功能；发现了豆科植物特有的能量感受器SnRK1α4并解析了其工作机制；揭示了JA信号通路促进共生信号传递，抑制宿主防御的分子机制（Mol Plant, 2022/2023/2024等）。

3、技术创新和生物育种方面，率先解析了高杂合高重复的紫花苜蓿基因组结构，建构了高效苜蓿CRISPR/Cas9基因编辑工具，通过基因编辑技术创制了基于细胞核雄性不育系的苜蓿三系快捷育种体系，与国内18家育种研究团队组建了“紫花苜蓿育种联盟”（Mol Plant, 2020；Plant Biotechnol J, 2022等）。

这些系统性研究工作整体推进了苜蓿生物学研究和生物育种的进步。

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