近日，生命科學(xué)學(xué)院周海課題組在New Phytologist上發(fā)表了題為“An E3 ubiquitin ligase CSIT2 controls critical sterility-inducing temperature of thermo-sensitive genic male sterile rice”的論文，闡釋了新的不育起點(diǎn)溫度基因CSIT2調(diào)控水稻溫敏雄性不育的育性轉(zhuǎn)變溫度的分子機(jī)制。
兩系雜交水稻比傳統(tǒng)的三系雜交水稻更能充分利用雜種優(yōu)勢(shì)。目前95%以上的兩系雜交水稻的不育系是利溫敏雄性不育基因tms5育成。溫敏雄性不育的不育起點(diǎn)溫度（critical sterility-inducing temperature，CSIT）是指雄性育性從可育轉(zhuǎn)變?yōu)椴挥呐R界溫度，不同的溫敏不育系具有不同的不育起點(diǎn)溫度。然而，許多溫敏核雄性不育的不育起點(diǎn)溫度偏高，在夏季雜交制種時(shí)偶遇低溫天氣可能導(dǎo)致溫敏不育系自交結(jié)實(shí)，從而導(dǎo)致雜交制種失敗，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，有些溫敏不育系的不育起點(diǎn)溫度隨著繁殖代數(shù)增加而不斷提高，產(chǎn)生了遺傳漂移，最終不能應(yīng)用于雜交制種。兩系制種失敗幾乎每年都有發(fā)生，大規(guī)模發(fā)生時(shí)直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。所以，溫敏不育系的不育起點(diǎn)溫度偏高和遺傳漂移是限制兩系雜交水稻發(fā)展的主要瓶頸。2023年10月，生命科學(xué)學(xué)院周海/莊楚雄團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant上發(fā)表了題為“The E3 ubiquitin ligase CSIT1 regulates critical sterility-inducing temperature by ribosome-associated quality control to safeguard two-line hybrid breeding in rice”的論文，首次揭示了E3泛素連接酶CSIT1通過(guò)蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過(guò)程調(diào)控水稻溫敏雄性不育的育性轉(zhuǎn)變溫度的分子機(jī)制。本次發(fā)表的論文進(jìn)一步闡釋了新的不育起點(diǎn)溫度基因CSIT2調(diào)控水稻溫敏雄性不育的育性轉(zhuǎn)變溫度的分子機(jī)制。
CSIT1和CSIT2參與水稻溫敏不育系的不育起點(diǎn)溫度調(diào)控，這些基因突變會(huì)導(dǎo)致不育起點(diǎn)溫度上升，雜交制種時(shí)不育系容易自交結(jié)實(shí)而導(dǎo)致制種失?。磧上抵品N不安全性）。CSIT1和CSIT2均編碼E3泛素連接酶，與TMS5一起參與核糖體關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制。CSIT1主要參與翻譯錯(cuò)誤蛋白或未正確折疊多肽的泛素化，而CSIT2在蛋白質(zhì)翻譯出錯(cuò)時(shí)會(huì)泛素化核糖體蛋白使核糖體大小亞基解離。而核糖體解離后，參與翻譯的tRNA也從核糖體解離下來(lái)，此時(shí)的tRNA的3'端存在缺陷，可能需要TMS5切去缺陷的3'端，重新加上CCA成為有活性的tRNA。
在高溫下的溫敏不育系中，由于TMS5的突變，導(dǎo)致泛素的積累，可能影響蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)的敏感性，可能過(guò)度泛素化過(guò)氧化氫酶（CAT）等蛋白質(zhì)，影響花藥中活性氧的去除和花粉發(fā)育。同時(shí)，高敏感的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的3'端缺陷的tRNA，需要TMS5加工；而TMS5的缺失影響了3'端缺陷tRNA的積累，進(jìn)而可能對(duì)花粉發(fā)育產(chǎn)生影響。CSIT1或CSIT2的缺失，導(dǎo)致蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)不能正常進(jìn)行，反而使得CAT等花粉發(fā)育蛋白可以較好的積累，可能也減少了3'端缺陷的tRNA的積累，育性轉(zhuǎn)換溫度升高，花粉恢復(fù)可育。
核糖體關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)調(diào)控不育起點(diǎn)溫度總之，這些工作發(fā)現(xiàn)了核糖體偶聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過(guò)程調(diào)節(jié)水稻溫敏雄性不育系的不育起點(diǎn)溫度的機(jī)理，為解決水稻兩系雜交育種中水稻溫敏雄性不育系不育起點(diǎn)溫度的選育和不育起點(diǎn)溫度的漂變問(wèn)題提供了潛在途徑。
生命科學(xué)學(xué)院周海研究員為該論文的通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院博士后彭國(guó)清、已畢業(yè)博士生劉明龍、佛羅里達(dá)大學(xué)羅志良博士和生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)本科生鄧雙繁為論文第一作者。研究得到了劉耀光院士、莊楚雄研究員、王應(yīng)祥教授、劉振蘭教授和劉林川教授等老師的幫助。該論文得到廣東省“十四五”農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.19520
日期：2024-02-17
兩系雜交水稻比傳統(tǒng)的三系雜交水稻更能充分利用雜種優(yōu)勢(shì)。目前95%以上的兩系雜交水稻的不育系是利溫敏雄性不育基因tms5育成。溫敏雄性不育的不育起點(diǎn)溫度（critical sterility-inducing temperature，CSIT）是指雄性育性從可育轉(zhuǎn)變?yōu)椴挥呐R界溫度，不同的溫敏不育系具有不同的不育起點(diǎn)溫度。然而，許多溫敏核雄性不育的不育起點(diǎn)溫度偏高，在夏季雜交制種時(shí)偶遇低溫天氣可能導(dǎo)致溫敏不育系自交結(jié)實(shí)，從而導(dǎo)致雜交制種失敗，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，有些溫敏不育系的不育起點(diǎn)溫度隨著繁殖代數(shù)增加而不斷提高，產(chǎn)生了遺傳漂移，最終不能應(yīng)用于雜交制種。兩系制種失敗幾乎每年都有發(fā)生，大規(guī)模發(fā)生時(shí)直接經(jīng)濟(jì)損失上億元。所以，溫敏不育系的不育起點(diǎn)溫度偏高和遺傳漂移是限制兩系雜交水稻發(fā)展的主要瓶頸。2023年10月，生命科學(xué)學(xué)院周海/莊楚雄團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant上發(fā)表了題為“The E3 ubiquitin ligase CSIT1 regulates critical sterility-inducing temperature by ribosome-associated quality control to safeguard two-line hybrid breeding in rice”的論文，首次揭示了E3泛素連接酶CSIT1通過(guò)蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過(guò)程調(diào)控水稻溫敏雄性不育的育性轉(zhuǎn)變溫度的分子機(jī)制。本次發(fā)表的論文進(jìn)一步闡釋了新的不育起點(diǎn)溫度基因CSIT2調(diào)控水稻溫敏雄性不育的育性轉(zhuǎn)變溫度的分子機(jī)制。
CSIT1和CSIT2參與水稻溫敏不育系的不育起點(diǎn)溫度調(diào)控，這些基因突變會(huì)導(dǎo)致不育起點(diǎn)溫度上升，雜交制種時(shí)不育系容易自交結(jié)實(shí)而導(dǎo)致制種失?。磧上抵品N不安全性）。CSIT1和CSIT2均編碼E3泛素連接酶，與TMS5一起參與核糖體關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制。CSIT1主要參與翻譯錯(cuò)誤蛋白或未正確折疊多肽的泛素化，而CSIT2在蛋白質(zhì)翻譯出錯(cuò)時(shí)會(huì)泛素化核糖體蛋白使核糖體大小亞基解離。而核糖體解離后，參與翻譯的tRNA也從核糖體解離下來(lái)，此時(shí)的tRNA的3'端存在缺陷，可能需要TMS5切去缺陷的3'端，重新加上CCA成為有活性的tRNA。
在高溫下的溫敏不育系中，由于TMS5的突變，導(dǎo)致泛素的積累，可能影響蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)的敏感性，可能過(guò)度泛素化過(guò)氧化氫酶（CAT）等蛋白質(zhì)，影響花藥中活性氧的去除和花粉發(fā)育。同時(shí)，高敏感的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的3'端缺陷的tRNA，需要TMS5加工；而TMS5的缺失影響了3'端缺陷tRNA的積累，進(jìn)而可能對(duì)花粉發(fā)育產(chǎn)生影響。CSIT1或CSIT2的缺失，導(dǎo)致蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)不能正常進(jìn)行，反而使得CAT等花粉發(fā)育蛋白可以較好的積累，可能也減少了3'端缺陷的tRNA的積累，育性轉(zhuǎn)換溫度升高，花粉恢復(fù)可育。
核糖體關(guān)聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)調(diào)控不育起點(diǎn)溫度總之，這些工作發(fā)現(xiàn)了核糖體偶聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過(guò)程調(diào)節(jié)水稻溫敏雄性不育系的不育起點(diǎn)溫度的機(jī)理，為解決水稻兩系雜交育種中水稻溫敏雄性不育系不育起點(diǎn)溫度的選育和不育起點(diǎn)溫度的漂變問(wèn)題提供了潛在途徑。
生命科學(xué)學(xué)院周海研究員為該論文的通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院博士后彭國(guó)清、已畢業(yè)博士生劉明龍、佛羅里達(dá)大學(xué)羅志良博士和生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)本科生鄧雙繁為論文第一作者。研究得到了劉耀光院士、莊楚雄研究員、王應(yīng)祥教授、劉振蘭教授和劉林川教授等老師的幫助。該論文得到廣東省“十四五”農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/nph.19520
日期：2024-02-17
