溫度是影響植物生長發(fā)育的主要環(huán)境因素。極端高溫限制了植物生長和作物增產(chǎn)，將造成糧食作物減產(chǎn)。挖掘耐高溫基因并解析耐高溫基因的調(diào)控機(jī)制，是提高作物高溫耐受性的重要手段，對作物耐高溫性狀的遺傳改良具有重要意義。此前，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心林鴻宣研究組定位克隆了水稻耐熱的QTL位點TT1，揭示了植物細(xì)胞通過更有效地降解有毒變性蛋白以及維持高溫應(yīng)答過程進(jìn)而控制水稻高溫耐受性的新機(jī)制。而TT1的下游組分和相關(guān)耐熱性調(diào)控通路尚不清楚。

 

　　11月16日，《分子植物》（Molecular Plant）在線發(fā)表了林鴻宣研究組完成的題為A TT1-SCE1 module integrates ubiquitination and SUMOylation to regulate heat tolerance in rice的研究論文。該研究鑒定到一個TT1的關(guān)鍵下游調(diào)控因子SCE1，揭示了泛素化和SUMO化修飾共同調(diào)控水稻耐熱性的新機(jī)制，明確了高溫脅迫下的SUMO化修飾模式、小熱激蛋白與水稻耐熱性之間的聯(lián)系，為作物耐高溫性狀的遺傳改良及分子設(shè)計育種提供了新的基因資源，奠定了理論基礎(chǔ)。

 

　　該研究通過體內(nèi)體外等方法鑒定到一個與TT1互作的關(guān)鍵蛋白SCE1。SCE1編碼一個SUMO結(jié)合酶，并作為TT1的下游組分調(diào)控水稻耐熱性。轉(zhuǎn)基因遺傳實驗表明，SCE1是水稻高溫耐受性的負(fù)調(diào)控因子。高溫脅迫下，TT1可促進(jìn)泛素化的SCE1靶向26S蛋白酶體降解，使得SCE1蛋白豐度下降，從而增強(qiáng)水稻的耐熱性。

 

　　植物通過在短時間內(nèi)快速增加SUMO化修飾底物豐度的方式來響應(yīng)熱脅迫信號。在SCE1功能缺失突變體中，其SUMO化修飾底物豐度在持續(xù)高溫下快速下降。這一全局SUMO化修飾水平的快速下降，有助于增強(qiáng)水稻的耐熱性。進(jìn)而，研究發(fā)現(xiàn)，SCE1在轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平上影響蛋白的折疊和重折疊。其中，Hsp24.1等sHSPs作為關(guān)鍵的SUMO修飾底物，正向調(diào)控水稻耐熱性，但其功能缺失降低水稻的高溫耐受性。SCE1負(fù)向調(diào)控Hsp24.1的蛋白豐度，在SCE1功能缺失突變體中有更高的Hsp24.1蛋白積累，從而增強(qiáng)水稻的耐熱性。同時，SCE1功能缺失使得田間高溫脅迫下的水稻單株產(chǎn)量增加15.1%，小區(qū)增產(chǎn)7.4%。這表明SCE1是重要的作物耐熱性基因資源并可通過基因編輯技術(shù)實現(xiàn)作物的耐高溫遺傳改良。

 

　　研究發(fā)現(xiàn)，SCE1在TT1介導(dǎo)的耐熱調(diào)控途徑中具有關(guān)鍵作用，而SCE1通過調(diào)節(jié)sHSP蛋白的豐度和SUMO化修飾而調(diào)控耐熱性。該研究闡明了高溫下TT1-SCE1模塊調(diào)控水稻耐熱性的分子機(jī)理，拓寬了科學(xué)家對SUMO化修飾和植物耐熱性機(jī)制的認(rèn)知，為培育高耐熱性作物提供了新策略。

 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院等的支持。