中国科学家水稻研究新突破登上《科学》!揭示水稻抗高温全新机制

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    中国科学家水稻研究新突破登上《科学》!揭示水稻抗高温全新机制
    发布日期:2022-06-21 08:14    点击次数:148

    ▎药明康德内容团队编辑

    作为全球最重要的粮食作物之一,水稻为全球近一半的人口提供了主食。但随着全球气候变暖趋势的加剧,水稻也面临着愈加严峻的生存考验。极端高温已经成为制约世界粮食生产安全的重要因素,因此,如何挖掘高温抗性基因资源、培育抗高温作物品种,成为亟待解决的重大科学问题。

    在一项发表于《科学》杂志的研究中,中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣团队与上海交通大学林尤舜团队合作取得了重大进展:研究团队成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3,并且阐明了其调控高温抗性的新机制,为抗高温作物的培育奠定重要基础。

    植物在面对环境温度变化时,需要及时有效地将温度这一物理信号“解码”成生物信号,从而实现对温度胁迫的快速应答。目前鉴定到的植物温度感受器多在温暖环境下发挥功能,但植物抵抗极端高温的温度感受器还未曾被报道过。

    在最新研究中,研究团队从大量水稻遗传材料中找到控制水稻高温抗性的数量性状基因位点(QTL,该性状由多个基因决定)TT3。进一步研究发现,TT3位点中存在两个拮抗调控水稻高温抗性的QTL基因TT3.1和TT3.2,其中TT3.1正向调控,让水稻拥有更强的高温抗性;而TT3.2为负向调控因子,起到相反的作用。

    通过对更加耐高温的非洲栽培稻(CG14)与亚洲栽培稻(WYJ)的分析,研究团队证实了TT3基因位点和TT3.1及TT3.2基因在抗高温分子育种中的重要作用。

    CG14来源的TT3相较于WYJ来源的TT3,具有更强的高温抗性。研究团队创建了一组近等基因系(即遗传背景相同,仅在TT3基因位点上存在差异),结果在抽穗期和灌浆期的高温处理条件下,拥有CG14来源TT3位点的水稻,相比于WYJ来源的增产1倍左右,同时田间高温胁迫下的小区增产也达到约20%。此外,无论是过量表达TT3.1还是敲除TT3.2,也能够带来2.5倍以上的增产效果。

    ▲来自非洲栽培稻的TT3CG14位点及TT3.1过量表达、TT3.2敲除构建显著增加高温胁迫下的水稻产量。(图片来源:参考资料[1])

    随后,研究团队进一步揭示了TT3.1及TT3.2基因调控高温抗性的机制。细胞质膜定位的E3泛素连接酶蛋白TT3.1能够响应高温信号,从细胞表面转移至多囊泡体中。随后胞质中的叶绿体前体蛋白TT3.2被TT3.1招募和泛素化进入多囊泡体,进一步被液泡降解,减轻在热胁迫下TT3.2积累所造成的叶绿体损伤,从而提高水稻的高温抗性。

    对CG14和WYJ的研究也证实了这一机制:相比于泛素连接酶活性较弱的TT3.1WYJ,TT3.1CG14具有更强的E3泛素连接酶活性,从而更多地招募并泛素化叶绿体前体蛋白TT3.2,通过上述过程提高水稻高温抗性和产量。

    ▲TT3.1-TT3.2遗传模块调控抗热与产量平衡的分子机理。(图片来源:参考资料[1])

    综上所述,该研究发现的TT3.1-TT3.2遗传模块首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系起来,揭示了植物响应极端高温的全新分子机制。该研究发现了TT3.1是一个潜在的高温感受器,同时也揭示了叶绿体蛋白降解的新机制。

    此外,由于TT3.1和TT3.2在多种作物中具有保守性,因而为应对全球气候变暖引发的粮食安全问题提供了具有广泛应用前景和商业价值的珍贵的抗高温基因资源。值得一提的是,在论文评审过程中,审稿人均对该工作给予了高度评价,认为此研究带来了非常有趣、重要的新见解。

    中科院分子植物科学卓越创新中心博士研究生张海(上海科技大学联合培养)为本文第一作者,林鸿宣研究员和林尤舜副教授为本文共同通讯作者。该中心的周基福、阚义、单军祥和叶汪薇等参与了该项研究工作。该工作得到了国家基金委基础科学中心项目、中科院先导科技专项、上海交大、岭南现代农业广东省实验室等的资助。

    林尤舜,长聘教轨副教授,独立PI,目前任职于上海交通大学农业与生物学院,主要研究方向为植物细胞器发育及其调控抗逆的分子机制。以第一作者或共同通讯作者的身份在Science,Molecular Plant,Cell Research,Nature Communications,Plant Physiology等国际知名期刊发表论文(详细信息请查看https://www.agri.sjtu.edu.cn/Data/View/6294)。林尤舜课题组拟招收1-2名博士后(细胞生物学和分子生物学背景优先),欢迎对我们的研究方向感兴趣的优秀博士后加盟!

    封面图来源:123RF

    参考资料:

    [1] Hai Zhang et al., A genetic module at one locus in rice protects chloroplasts to enhance thermotolerance.Science(2022) DOI: 10.1126/science.abo5721

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