中國(guó)科學(xué)院分子植物卓越中心揭示水稻耐熱調(diào)控新途徑

　　全球氣候變暖成為威脅世界糧食安全的一大重要問(wèn)題，據(jù)報(bào)道，年平均溫度每升高1℃，將會(huì)對(duì)水稻、小麥、玉米等糧食作物帶來(lái)3%~8%左右的減產(chǎn)。植物在與高溫的長(zhǎng)期對(duì)抗中，進(jìn)化出了不同的應(yīng)對(duì)機(jī)制：一方面，植物可以通過(guò)“積極應(yīng)對(duì)”來(lái)提高自身對(duì)于未折疊蛋白的清除能力，從而維持蛋白內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡以獲得高溫抗性（如TT1）（Li et al., 2015）；另一方面，植物也可以通過(guò)“以靜制動(dòng)”的方式，使自身鈍感，減少熱響應(yīng)消耗，維持正常的生理活動(dòng)，并且在熱脅迫結(jié)束后快速重建以提高熱脅迫下的生存能力。通過(guò)遺傳學(xué)手段，挖掘耐高溫的自然位點(diǎn)并對(duì)其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究，對(duì)于作物耐高溫遺傳改良具有重要意義。

 

　　G蛋白一直是植物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)中的研究熱點(diǎn)，但是其在熱脅迫耐受的分子機(jī)制方面還未有深入研究；鈣信號(hào)作為第二信使，在逆境信號(hào)的傳導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，但是鈣信號(hào)如何在熱信號(hào)通路的下游被解碼，并轉(zhuǎn)導(dǎo)為生理生化響應(yīng)，目前還沒有合理的解釋。自然位點(diǎn)因其在生產(chǎn)應(yīng)用上的重要意義受到廣泛關(guān)注，但是其定位難度較大，尤其是定位與耐熱等復(fù)雜性狀相關(guān)的位點(diǎn)挑戰(zhàn)更大。繼在2015年定位克隆了水稻首例抗熱的QTL位點(diǎn)TT1，近日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員林鴻宣團(tuán)隊(duì)又分離克隆了水稻抗熱QTL TT2，相關(guān)研究成果以TT2 controls rice thermotolerance through SCT1-dependent alteration of wax biosynthesis為題在Nature Plants上發(fā)表。該成果揭示了聯(lián)合G蛋白、鈣信號(hào)、蠟質(zhì)代謝等分子層面的水稻耐熱調(diào)控新途徑。

 

　　該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)正向遺傳學(xué)方法從水稻耐熱遺傳資源中定位克隆到了TT2，其編碼一個(gè)G蛋白γ亞基，并且負(fù)向調(diào)控水稻的耐熱性；熱帶粳稻來(lái)源的TT2存在一個(gè)SNP，使其編碼一個(gè)提前終止形式的蛋白，獲得較強(qiáng)的耐熱性，而在高溫敏感的溫帶粳稻中，該SNP的占比較低。在熱脅迫下，相較于對(duì)照，攜帶耐熱性位點(diǎn)的近等基因系NIL-TT2HPS32苗期成活率顯著提高，并且成熟期的單株產(chǎn)量也顯著提高，增幅達(dá)54.7%，表明該基因位點(diǎn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有重要的應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，TT2的功能有無(wú)，影響到熱脅迫后的蠟質(zhì)代謝通路，在高溫敏感的對(duì)照株系中，蠟質(zhì)相關(guān)調(diào)控基因呈現(xiàn)出明顯的受熱誘導(dǎo)而下調(diào)的趨勢(shì)，而在抗熱的NIL-TT2HPS32株系中，有一部分蠟質(zhì)基因則呈現(xiàn)出不響應(yīng)熱且穩(wěn)定表達(dá)的趨勢(shì)，其中包括一個(gè)正向調(diào)控蠟質(zhì)合成的重要轉(zhuǎn)錄因子OsWR2。在抗熱的NIL-TT2HPS32株系中敲除OsWR2，發(fā)現(xiàn)其耐高溫的表型消失，證明在高溫脅迫下維持正常的蠟質(zhì)含量對(duì)于水稻耐熱是至關(guān)重要的。為了進(jìn)一步建立TT2與OsWR2表達(dá)水平的調(diào)控關(guān)系，研究人員通過(guò)對(duì)OsWR2上游啟動(dòng)子的分析，發(fā)現(xiàn)了一類鈣調(diào)素結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子（CAMTA）的結(jié)合元件CG1-like motif，并通過(guò)同源比對(duì)，找到了兩個(gè)水稻的CAMTA家族成員，并命名為SCT1和SCT2；進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明SCT1可以直接結(jié)合OsWR2的啟動(dòng)子，影響OsWR2的表達(dá)，并且負(fù)向調(diào)控水稻的耐熱性。SCT1帶有鈣依賴的鈣調(diào)素（CaM）結(jié)合位點(diǎn)，可以通過(guò)與CaM的互作來(lái)解碼胞內(nèi)的鈣信號(hào)。G蛋白之前被多次報(bào)道參與動(dòng)植物的鈣信號(hào)調(diào)控（如RGA1）（Ma et al., 2015），該研究也證實(shí)了TT2的功能缺失會(huì)導(dǎo)致熱誘導(dǎo)的鈣信號(hào)減弱。當(dāng)正常功能的TT2存在時(shí)，高溫會(huì)誘導(dǎo)鈣信號(hào)的產(chǎn)生并使得胞內(nèi)鈣濃度提高，高濃度的鈣離子會(huì)被CaM感知，并促進(jìn)CaM與SCT1的互作，從而加強(qiáng)CaM對(duì)于SCT1轉(zhuǎn)錄活性的抑制，最終導(dǎo)致OsWR2在高溫條件下表達(dá)量迅速下調(diào)，蠟質(zhì)減少并最終無(wú)法抵御高溫，呈現(xiàn)出熱敏感的表型。當(dāng)TT2功能缺失時(shí)，熱誘導(dǎo)的鈣信號(hào)減弱，進(jìn)而減弱了SCT1與CaM的互作，降低了CaM對(duì)于SCT1轉(zhuǎn)錄活性的抑制，最終維持了OsWR2在高溫脅迫下的正常表達(dá)和穩(wěn)定的蠟質(zhì)含量，呈現(xiàn)出抗熱表型。

 

　　綜上所述，該研究首次系統(tǒng)地將G蛋白調(diào)控、鈣信號(hào)傳導(dǎo)及解碼、蠟質(zhì)代謝通路聯(lián)系起來(lái)，闡明了一條從上游信號(hào)產(chǎn)生到下游生理生化響應(yīng)的調(diào)控通路，該通路獨(dú)立于以往已知的通過(guò)熱激蛋白、活性氧清除以及未折疊蛋白清除參與的植物耐熱調(diào)控途徑，是植物抗熱領(lǐng)域的重要進(jìn)展。TT2是一份作物耐熱育種的珍貴基因資源，對(duì)未來(lái)作物借助分子設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)耐熱遺傳改良具有重要意義。

　　來(lái)自熱帶粳稻的TT2HPS32位點(diǎn)使水稻在苗期和成熟期呈現(xiàn)出明顯的抗高溫表型