中科院遺傳發育所姚善國/儲成才合作揭示秈稻高溫耐受性的新機制

責編 | 逸雲

近些年，全球氣候變暖所造成的高溫脅迫持續影響著水稻的產量和品質，挖掘水稻耐高溫基因，對於改良水稻品種耐熱性至關重要。另一方面，傳統的秈粳稻由於起源地和種植範圍的差異，對於溫度的適應性也有很大差別，秈稻種植在溫度較高的地區，一般對高溫有更強的抵抗能力，但其中的遺傳基礎尚不清楚。tRNA硫醇化(mcm5s2U34) 是一種重要的tRNA轉錄後修飾形式，在酵母、線蟲、人類中的研究表明，tRNA硫醇化對於維持生物體正常發育和代謝、響應環境脅迫尤其是熱脅迫等方面發揮著重要作用。然而，植物中tRNA硫醇化在高溫脅迫響應中的功能仍然未知。

近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室姚善國研究組與儲成才研究組合作在Nature Communications雜誌上在線發表了題為Natural variations of SLG1 confer high-temperature tolerance in indica rice的研究論文，該研究發現了tRNA硫醇化途徑中的關鍵基因SLG1在水稻抵抗高溫脅迫中的重要功能。

SLG1編碼一個保守的細胞質tRNA 2-硫化蛋白2 (RCTU2)，它的功能缺陷會導致水稻體內的tRNA硫醇化水平缺陷，伴隨著明顯的高溫敏感表型；而過表達SLG1則能夠顯著提高水稻對高溫耐受性。SLG1能夠與水稻中細胞質tRNA 2-硫化蛋白1 (RCTU1)互作，RCTU1功能缺陷也導致水稻tRNA硫醇化水平降低和高溫敏感表型。進一步實驗表明，水稻的高溫耐受性和tRNA硫醇化水平呈正相關。通過對栽培稻序列分析發現，SLG1在品種中存在單倍型分化，其中96.1%的溫帶粳稻屬於一種單倍型，而93.9%的秈稻則屬於另外一種單倍型，暗示SLG1可能是一秈粳稻分化基因，核酸序列多態性分析也表明SLG1是一個顯著的馴化選擇位點。通過對近等基因系及轉基因植株的高溫處理試驗表明，攜帶秈型SLG1的水稻植株比攜帶粳型SLG1水稻植株具有更強的高溫耐受能力，並與tRNA硫醇化水平呈現正相關。進一步發現SLG1啟動子區和編碼區的序列差異共同決定了秈型和粳型SLG1耐熱性差異。尤為重要的是，攜帶秈型SLG1的水稻植株對孕穗期高溫也具有更強的抵抗能力。

SLG1等位基因在水稻馴化中的選擇模式

綜上所述，該項研究不僅證明了tRNA硫醇化修飾在水稻響應高溫脅迫中的重要功能，也為應對全球變暖、設計培育耐高溫脅迫水稻品種提供了有效策略。

姚善國研究組已畢業博士生徐玉芳和張麗為該論文共同第一作者，美國愛荷華州立大學區樹俊博士參與了研究工作，姚善國研究員和儲成才研究員為共同通訊作者。該研究得到了中科院A類先導專項、國家重點研發計劃項目、植物基因組學國家重點實驗室支持項目的資助。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19320-9