我國科研人員首個潛在作物高温感受器

觀察者網6月18日從中國科學院分子植物科學卓越創新中心瞭解到，17日，該中心林鴻宣研究團隊與上海交通大學林尤舜研究團隊合作在國際頂尖學術期刊《科學》上發表題為 “A genetic module at one locus in rice protects chloroplasts to enhance thermotolerance”的研究論文。該成果不僅首次揭示了在一個控制水稻抗熱複雜數量性狀的基因位點（TT3）中存在由兩個拮抗的基因（TT3.1和TT3.2）組成的遺傳模塊調控水稻高温抗性的新機制和葉綠體蛋白降解新機制；同時發現了第一個潛在的作物高温感受器。

温度是一個複雜的物理信號，植物面對環境温度變化時，需要及時有效地將這一物理信號“解碼”成生物信號，從而實現對温度脅迫的快速應答。目前鑑定到的植物温度感受器多為調節植物在温暖環境下的形態變化或發育轉換過程，關於植物抵抗極端高温的温度感受器還未曾被報道過。隨着全球氣候變暖趨勢的加劇，極端高温成為制約世界糧食生產安全的最為主要的脅迫因子之一，因此挖掘高温抗性基因資源、探究植物高温響應機制以及培育抗高温作物品種成為當前亟待解決的重大科學問題。然而，一直以來，通過正向遺傳學方法定位克隆高温抗性相關複雜數量性狀基因位點（QTL）是一個具有挑戰性的課題。該研究團隊經過7年（加上遺傳材料構建，耗時近10年）的努力，成功分離克隆了水稻高温抗性新基因位點TT3，並且闡明瞭其調控高温抗性的新機制。這是該研究團隊繼TT1 （Nature Genetics, 2015）和TT2 （Nature Plants, 2022）之後，取得的又一重大進展。

研究團隊的試驗田 圖自解放日報

研究團隊通過對22762株水稻遺傳材料進行大規模交換個體篩選和耐熱表型鑑定，定位克隆到一個控制水稻高温抗性的新QTL位點TT3。非洲栽培稻（CG14）來源的TT3相較於亞洲栽培稻（WYJ）來源的TT3具有更強的高温抗性。進一步研究發現TT3位點中存在兩個拮抗調控水稻高温抗性的QTL基因TT3.1和TT3.2，其中TT3.1正向調控抗性而TT3.2為負向調控因子，TT3.1位於TT3.2的遺傳上游發揮功能，這為揭示覆雜數量性狀的遺傳和分子調控機制提供了新的視角。在抽穗期和灌漿期的高温處理條件下，近等基因系NIL-TT3CG14比NIL-TT3WYJ增產1倍左右，同時田間高温脅迫下的小區增產也達到約20%；過量表達TT3.1或敲除TT3.2也能夠帶來2.5倍以上的增產效果。而在正常田間條件下，它們對產量性狀沒有負面的影響。因此TT3基因位點和TT3.1及TT3.2基因在抗高温分子育種中具有重要的應用價值（圖1）。

圖1. 來自非洲栽培稻的TT3CG14位點及TT3.1過量表達、TT3.2敲除構建顯著增加高温脅迫下的水稻產量。

機制上的進一步研究發現：細胞質膜定位的E3泛素連接酶蛋白TT3.1能夠響應高温信號，從細胞表面轉移至多囊泡體（MVB）中，隨後胞質中的葉綠體前體蛋白TT3.2被TT3.1招募和泛素化進入多囊泡體，進一步被液泡降解，減輕在熱脅迫下TT3.2積累所造成的葉綠體損傷，從而提高水稻的高温抗性。在CG14背景中，TT3.1CG14具有較強的E3泛素連接酶活性，從而更多地招募並泛素化葉綠體前體蛋白TT3.2，並通過多囊泡體-液泡途徑降解，使得成熟態TT3.2蛋白在NIL-TT3CG14葉綠體中含量降低，實現在高温脅迫下對葉綠體的保護，從而提高水稻高温抗性和產量；而在WYJ背景中，由於TT3.1WYJ具有較弱的泛素連接酶活性，只有少量的葉綠體前體蛋白TT3.2被降解，更多的TT3.2成熟蛋白在NIL-TT3WYJ葉綠體中積累，造成葉綠體破壞，最終導致水稻的高温敏感和減產（圖2）。

圖2. TT3.1-TT3.2遺傳模塊調控抗熱與產量平衡的分子機理。

綜上所述，該研究發現的TT3.1-TT3.2遺傳模塊首次將植物細胞質膜與葉綠體之間的高温響應信號聯繫起來，揭示了全新的植物響應極端高温的分子機制；在極端高温下（42度），細胞質膜定位的TT3.1蛋白通過定位改變，感知温度信號，並將高温物理信號“解碼”成生物信號傳遞給葉綠體前體蛋白TT3.2，並通過不同於26S蛋白酶體降解途徑和葉綠體水解酶途徑的方式對葉綠體前體蛋白TT3.2進行液泡降解，從而在高温下維持葉綠體的穩定性（圖2）。因此該研究發現了TT3.1是一個潛在的高温感受器，同時也揭示了葉綠體蛋白降解的新機制。此外，由於TT3.1和TT3.2在多種作物中具有保守性，因而為應對全球氣候變暖引發的糧食安全問題提供了具有廣泛應用前景和商業價值的珍貴的抗高温基因資源。值得一提的是，在論文評審過程中，審稿人均對該工作給予了高度評價，認為此研究帶來了非常有趣、重要的新見解。