Nat Plants林鸿宣院士：“无损电生理”跨膜Ca²⁺流为G蛋白通过钙信号调节蜡质合成进而调控水稻耐热性提供证据

基本信息

主题：NMT发现高温显著诱导热敏感水稻吸Ca为G蛋白通过钙信号调节蜡质合成进而调控水稻耐热性提供证据

期刊：Nature Plants

影响因子：15.793

研究使用平台：NMT温度胁迫创新平台

标题：TT2 controls rice thermotolerance through SCT1-dependent alteration of wax biosynthesis

作者：中科院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣、阚义

检测离子/分子指标

Ca²⁺

检测样品

水稻根、地上部分

中文摘要

全球变暖威胁着作物生产。G蛋白介导植物对多种非生物胁迫的响应。本研究鉴定了一个自然数量性状位点TT2 (THEROMOTOLERANCE 2)，该位点编码一个Gγ亚基，在水稻营养生长和生殖生长过程中都赋予其耐热性，且不影响水稻产量。一个丧失TT2功能的自然等位基因与高温下蜡的更大保留度和耐热性增加有关。在机制上，研究发现一个转录因子SCT1 (Sensing Ca²⁺ Transcription factor 1)通过与钙调蛋白的相互作用来解码Ca²⁺，并作为其靶基因的负调控因子（例如WaxSynthesis Regulatory 2 (OsWR2)）。钙调素-SCT1相互作用被TT2破坏引起的热触发Ca²⁺的减少所减弱，从而解释了观察到的热诱导蜡含量的变化。除了建立连接G蛋白、Ca²⁺感应和蜡代谢的桥梁外，本研究还提供了一种开发潜在的、无产量损失的耐热作物品种的创新方法。

离子/分子流实验处理方法

42℃高温实时处理

离子/分子流实验结果

研究采用非损伤微测技术（NMT）对热刺激下水稻根和地上部分进行了检测。正常条件下，两种NIL在根和地上部分中NMT信号均无差异（图1a）。在热刺激下，NIL-TT2^HJX根和地上部分中检测到Ca²⁺显著内流（图1a）。相比之下，NIL- TT2^HPS32在相同的热刺激下Ca²⁺流速信号变化不明显（图1a）。热刺激下，NIL-TT2^HJX比NIL- TT2^HPS32的平均Ca²⁺流速积分和平均最大Ca²⁺流速显著更高（图1b, c）。热刺激引起的胞外Ca²⁺内流的波动表明，细胞外Ca²⁺引起的细胞质Ca²⁺浓度的升高可能因为TT2功能的丧失而收到显著的抑制。

图1.热处理后两种NIL的根和叶片的Ca²⁺流速。图1a的负值代表Ca²⁺吸收。

其他实验结果

通过正向遗传学方法从水稻耐热遗传资源中定位克隆到了TT2，其编码一个G蛋白γ亚基，并且负向调控水稻的耐热性。
热带粳稻来源的TT2存在一个SNP，使其编码一个提前终止形式的蛋白，获得较强的耐热性，而在高温敏感的温带粳稻中，该SNP的占比较低。
在热胁迫下，与对照相比，携带耐热性位点的近等基因系NIL-TT2^HPS32苗期成活率显著提高，并且成熟期的单株产量也显著提高、增幅达54.7%，表明TT2不仅在营养生长过程中控制水稻的耐热性，而且在生殖发育过程中也控制水稻的耐热性，该基因位点在农业生产上有重要的应用价值。
TT2的功能有无影响到热胁迫后的蜡质代谢通路，在高温敏感的对照株系中，蜡质相关调控基因呈现出明显地受热诱导而下调的趋势，而在耐热的NIL-TT2^HPS32株系中，有一部分蜡质基因则呈现出不响应热且稳定表达的趋势，其中包括一个正向调控蜡质合成的重要转录因子OsWR2。
在耐热的NIL-TT2^HPS32株系中敲除OsWR2，发现其耐高温的表型消失，证明在高温胁迫下维持正常的蜡质含量对于水稻耐热是至关重要的。
为了进一步建立TT2与OsWR2表达水平的调控关系，研究人员通过对OsWR2上游启动子的分析，发现了一类钙调素结合转录因子（CAMTA）的结合元件CG1-like motif，并通过同源比对，找到了两个水稻的CAMTA家族成员，并命名为SCT1和SCT2；进一步实验证明SCT1可以直接结合OsWR2的启动子，影响OsWR2的表达，并且负向调控水稻的耐热性。
SCT1带有钙依赖的钙调素（CaM）结合位点，可以通过与CaM的互作来解码胞内的钙信号。
TT2的功能缺失会导致热诱导的钙信号减弱。当正常功能的TT2存在时，高温会诱导钙信号的产生并使得胞内钙浓度提高，高浓度的Ca²⁺会被CaM感知，并促进CaM与SCT1的互作，从而加强CaM对于SCT1转录活性的抑制，最终导致OsWR2在高温条件下表达量迅速下调，蜡质减少并最终无法抵御高温，呈现出热敏感的表型。当TT2功能缺失时，热诱导的钙信号减弱，进而减弱了SCT1与CaM的互作，降低了CaM对于SCT1转录活性的抑制，最终维持了OsWR2在高温胁迫下的正常表达和稳定的蜡质含量，呈现出抗热表型。

结论

SCT1作为钙调蛋白结合转录因子，在上游热信号与下游生理反应之间起着必不可少的联系。研究表明，热应激诱导胞内Ca²⁺升高。升高的 Ca²⁺可以被感知并通过CaM转导到下游生理响应中，CaM从其“基础”Ca²⁺游离形式（Apo-CaM）转变为活性Ca²⁺结合形式（Holo-CaM）；Ca²⁺-CaM在热激信号转导中起重要作用。Ca²⁺浓度增加促进了CaM与SCT1的结合。增强的SCT1-CaM结合抑制了SCT1，导致 OsWR2转录减少，从而降低蜡含量并引起热敏感性。本研究解释了由热触发的TT2介导的Ca²⁺信号如何被感知，并随后被转导到热胁迫响应转录程序中的，该转录程序包括OsWR2转录的下调。在耐热的NIL-TT2^HPS32中，干扰TT2可减弱热触发的细胞内Ca²⁺升高，从而减弱CaM- SCT1相互作用，解除CaM对SCT1诱导的转录激活的抑制作用，从而导致正常的角质层蜡质形成，增强耐热性（图2）。

本研究首次系统地将G蛋白调控、钙信号传导及解码、蜡质代谢通路联系起来，阐明了一条从上游信号产生到下游生理生化响应的调控通路，该通路独立于以往已知的通过热激蛋白、活性氧清除以及未折叠蛋白清除参与的植物耐热调控途径，是植物抗热领域的重要进展。TT2是一份作物耐热育种的珍贵基因资源，对未来作物借助分子设计手段实现定点的耐热遗传改良具有重要意义。