在后基因组时代生物学研究的主要挑战是鉴定所有蛋白的功能。研究蛋白生物学功能的主要手段是对其表达水平进行扰动，然后观察相应的表型变化。目前，植物学研究中常用的方法是在 DNA 和 RNA 水平对蛋白表达进行调控；然而，这些方法对蛋白水平的调控都是间接的，需要较长时间起作用，并且蛋白本身的稳定性也影响最终的调控效果。为了解决这些问题，中国科学院微生物研究所邱金龙课题组前期在双子叶模式植物拟南芥中建立了一个通过合成的小分子化合物对体内目标蛋白水平进行直接调控的技术体系——RDDK-Shld1 系统（Su, et al., 2013, Molecular Plant）。最近，邱金龙课题组在利用 RDDK-Shld1 系统直接精细调控单子叶作物体内蛋白水平的研究中取得新进展。

RDDK-Shld1 系统通过在 DD 结构域（FKBP12 的一种突变形式，稳定性非常低）的氨基端引入一个精氨酸（R），在羧基端引入一个赖氨酸（K）作为潜在的泛素接受基团，形成一个新型融合标签 RDDK，然后在 RDDK 标签的 N 端融合一个泛素（图 1）。RDDK 融合蛋白在细胞翻译过程中，N 端的泛素被切除暴露出精氨酸。根据 N 端法则该融合蛋白极其不稳定而被蛋白酶体降解。当人工合成小分子化合物 Shld1 存在时，Shld1 与 DD 结构域结合，稳定了 RDDK 融合蛋白，使其在细胞中得以积累（图 1）。该研究在水稻和小麦中均未检测到 RDDK 融合蛋白的渗漏表达，显示 RDDK-Shld1 系统在单子叶植物中的严谨性。Shld1 处理能诱导水稻和小麦中 RDDK 融合蛋白的积累，并且积累水平与 Shld1 施加浓度相对应。重要的是，Shld1 诱导的蛋白积累具有可逆性，即在去除 Shld1 后，融合蛋白逐渐被降解至免疫印迹无法检测。基于此，RDDK-Shld1 系统在单子叶植物中可对目标蛋白累积实现精细的时空调控。进一步研究发现，抗除草剂蛋白 Bar 和抗稻瘟病蛋白 Pid3 的积累都可以通过 RDDK-Shld1 系统进行调控，并且 Shld1 诱导积累的 RDDK-Bar 和 RDDK-Pid3 蛋白能够分别使相应的转基因植物具有除草剂抗性和稻瘟病抗性，表明利用 RDDK-Shld1 系统可以对水稻和小麦中目标蛋白的功能进行直接调控。

水稻和小麦都是重要的粮食作物，虽然一些外源基因的转入可显著提高作物的适应性和粮食品质，但是由于外源基因表达的蛋白的积累可能会引起大众对转基因食品的担忧，而 RDDK-Shld1 系统的应用由于在无 Shld1 情况下不会出现外源蛋白的积累而可以消除这个担忧。因此，RDDK-Shld1 系统作为新型的直接精细调控蛋白积累水平的技术不仅可以作为研究蛋白功能的有效工具，还为农业生物技术的发展及转基因育种提供有力的技术支撑。研究成果已于近日在线发表于《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）。实验工作主要由邱金龙课题组硕士生张靖波、助理研究员尹康权及实验员孙娟完成，邱金龙为通讯作者。水稻和小麦的遗传转化得到中科院遗传与发育生物学研究所生物技术平台的大力帮助。该研究得到了国家转基因专项、中科院及植物基因组学国家重点实验室的经费支持。（来源：中国科学院微生物研究所）

Direct and Tunable Modulation of Protein Levels in Rice and Wheat with a Synthetic Small Molecule

Abstract  Direct control of protein level enables rapid and efficient analyses of gene functions in crops. Previously, we developed the RDDK-Shield1 (Shld1) system in the model plant Arabidopsis thaliana for direct modulation of protein stabilization using a synthetic small molecule. However, it was unclear whether this system is applicable to economically important crops. In this study we show that the RDDK-Shld1 system enables rapid and tunable control of protein levels in rice and wheat. Accumulation of RDDK-fusion proteins can be reversibly and spatio-temporally controlled by the synthetic small-molecule Shld1. Moreover, RDDK-Bar and RDDK-Pid3 fusions confer herbicide and rice blast resistance, respectively, in a Shld1-dependent manner. Therefore, the RDDK-Shld1 system provides a reversible and tunable technique for controlling protein functions and conditional expression of transgenes in crops.

原文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.12787/pdf