隨著全球氣候變化，高溫脅迫對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)的負(fù)面影響受到關(guān)注。高溫造成作物幼苗死亡、結(jié)實率降低、產(chǎn)量減少，也會影響作物的品質(zhì)。因此，挖掘水稻耐高溫基因，對于改良水稻品種耐熱性能以及未來作物的設(shè)計育種有重要意義。同時，溫度也是影響水稻地理分布的一個重要因素。傳統(tǒng)的秈粳稻由于起源地和種植范圍的差異，對于溫度的適應(yīng)性有所差別，秈稻種植在溫度較高的地區(qū)，一般對高溫有更強(qiáng)的抵抗能力，但是其中的遺傳基礎(chǔ)尚不清楚。tRNA硫醇化（mcm5s2U34）是一種重要的tRNA轉(zhuǎn)錄后修飾形式，在酵母、線蟲、人類中的研究表明，tRNA硫醇化對于維持生物體正常發(fā)育和代謝、響應(yīng)環(huán)境脅迫尤其是熱脅迫等方面發(fā)揮重要作用。然而，在植物中，tRNA硫醇化的功能以及它和高溫脅迫的關(guān)系仍需研究。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點實驗室姚善國研究組與儲成才研究組合作，發(fā)現(xiàn)tRNA硫醇化途徑中的關(guān)鍵基因SLG1在水稻抵抗高溫脅迫中起重要作用。SLG1編碼一個保守的細(xì)胞質(zhì)tRNA 2-硫化蛋白2（RCTU2），它的功能缺陷會導(dǎo)致水稻體內(nèi)的tRNA硫醇化水平缺陷，并伴隨明顯的高溫敏感表型；而過表達(dá)SLG1則可顯著提高水稻對高溫耐受性。分子遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，SLG1能夠與水稻中細(xì)胞質(zhì)tRNA 2-硫化蛋白1（RCTU1）互作，RCTU1功能缺陷也導(dǎo)致水稻tRNA硫醇化水平降低和高溫敏感表型。實驗顯示，水稻的高溫耐受性和tRNA硫醇化水平呈正相關(guān)。通過對4219個栽培稻序列分析發(fā)現(xiàn)，SLG1在品種中存在單倍型分化，其中96.1%的溫帶粳稻屬于一種單倍型，而93.9%的秈稻屬于另一種單倍型，暗示SLG1可能是一秈粳稻分化基因，核酸序列多態(tài)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(zhuǎn)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(qiáng)的高溫耐受能力，且與tRNA硫醇化水平呈正相關(guān)。通過啟動子和編碼區(qū)互換不同轉(zhuǎn)基因材料熱處理實驗顯示，SLG1啟動子區(qū)和編碼區(qū)的序列差異共同決定秈型和粳型SLG1耐熱性差異。同時，攜帶秈型SLG1的水稻植株對孕穗期高溫也有更強(qiáng)的抵抗能力。因此，該研究證明tRNA硫醇化修飾在水稻響應(yīng)高溫脅迫中的重要功能，并為應(yīng)對全球變暖、設(shè)計培育高溫脅迫耐受性水稻品種提供有效策略。
相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-020-19320-9）上，姚善國研究組已畢業(yè)博士生徐玉芳和張麗為論文共同第一作者，美國愛荷華州立大學(xué)博士區(qū)樹俊參與研究工作，研究員姚善國和儲成才為論文共同通訊作者。研究工作得到中科院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點研發(fā)計劃項目、植物基因組學(xué)國家重點實驗室支持項目的資助。
SLG1等位基因在水稻馴化中的選擇模式
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