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姚善国和储成才研究组在籼稻高温耐受性机制研究中取得重要进展

  随着全球气候变化,高温胁迫对作物的产量和品质的负面影响受到广泛关注。高温会造成作物幼苗死亡、结实率降低、产量减少,也很大程度上影响作物的品质。因此,挖掘水稻耐高温基因,对于改良水稻品种耐热性能,对未来作物的设计育种至关重要。另一方面,温度也是影响水稻地理分布的一个重要因素。传统的籼粳稻由于起源地和种植范围的差异,对于温度的适应性也有很大差别,籼稻种植在温度较高的地区,一般对高温有更强的抵抗能力,但其中的遗传基础尚不清楚。tRNA硫醇化(mcm5s2U34)是一种非常重要的tRNA转录后修饰形式,在酵母、线虫、人类中的研究表明,tRNA硫醇化对于维持生物体正常发育和代谢、响应环境胁迫尤其是热胁迫等方面发挥着重要作用。然而,在植物中,tRNA硫醇化的功能以及它和高温胁迫的关系还是一无所知。 

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室姚善国研究组与储成才研究组合作,发现了tRNA硫醇化途径中的关键基因SLG1在水稻抵抗高温胁迫中发挥重要作用。SLG1编码一个保守的细胞质tRNA 2-硫化蛋白2 (RCTU2),它的功能缺陷会导致水稻体内的tRNA硫醇化水平缺陷,伴随着明显的高温敏感表型;而过表达SLG1则能够显著提高水稻对高温耐受性。分子遗传学研究发现,SLG1能够与水稻中细胞质tRNA 2-硫化蛋白1 (RCTU1)互作,RCTU1功能缺陷也导致水稻tRNA硫醇化水平降低和高温敏感表型。进一步实验表明,水稻的高温耐受性和tRNA硫醇化水平呈正相关。通过对4219个栽培稻序列分析发现,SLG1在品种中存在单倍型分化,其中96.1%的温带粳稻属于一种单倍型,而93.9%的籼稻则属于另外一种单倍型,暗示SLG1可能是一籼粳稻分化基因,核酸序列多态性分析也表明SLG1是一个显著的驯化选择位点。通过对近等基因系及转基因植株的高温处理试验表明,携带籼型SLG1的水稻植株比携带粳型SLG1水稻植株具有更强的高温耐受能力,并与tRNA硫醇化水平呈现正相关。进一步通过启动子和编码区互换不同转基因材料热处理实验表明,SLG1启动子区和编码区的序列差异共同决定了籼型和粳型SLG1耐热性差异。尤为重要的是,携带籼型SLG1的水稻植株对孕穗期高温也具有更强的抵抗能力。因此,该项研究不仅证明了tRNA硫醇化修饰在水稻响应高温胁迫中的重要功能,也为应对全球变暖、设计培育高温胁迫耐受性水稻品种提供了有效策略。 

 

  该研究于20201028日在Nature Communications杂志上在线发表(DOI:10.1038/s41467-020-19320-9)。姚善国研究组已毕业博士生徐玉芳和张丽为该论文共同第一作者,美国爱荷华州立大学区树俊博士参与了研究工作,姚善国研究员和储成才研究员为共同通讯作者。该研究得到中科院A类先导专项、国家重点研发计划项目、植物基因组学国家重点实验室支持项目的资助。 

    

图:SLG1等位基因在水稻驯化中的选择模式