近日，本校生命科學(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通過蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過程調(diào)控水稻溫敏雄性不育的不育起點(diǎn)溫度的分子機(jī)制，為解決兩系雜交育種中溫敏雄性不育系不育起點(diǎn)溫度的選育問題提供了新思路。
兩系雜交水稻育種是我國科學(xué)家首創(chuàng)的育種技術(shù)，相比三系雜交水稻育種技術(shù)，它具有不受恢保關(guān)系限制、配組自由、更加有利于利用雜種優(yōu)勢(shì)、育種程序更加簡(jiǎn)單和成本降低等優(yōu)勢(shì)，因而得到了迅速的發(fā)展。兩系雜交水稻由環(huán)境敏感型雄性不育系和恢復(fù)系組成。由于水稻溫敏雄性不育基因tms5遺傳比較穩(wěn)定，目前95%以上的兩系雜交水稻的不育系是利用該基因。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，它是保障兩系雜交水稻制種安全的關(guān)鍵。然而，許多溫敏核雄性不育的不育起點(diǎn)溫度偏高或者遺傳漂移，在雜交制種時(shí)偶遇低溫天氣可能導(dǎo)致制種失敗而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，限制了兩系雜交水稻的發(fā)展。目前，有關(guān)不育起點(diǎn)溫度基因的克隆和分子機(jī)制尚未有公開報(bào)道。
水稻溫敏雄性不育基因tms5首次發(fā)現(xiàn)于溫敏雄性不育系安農(nóng)S-1（AnS-1）中。該課題組前期克隆了tms5并初步揭示了其調(diào)控溫敏不育的機(jī)理（Zhou et al., 2014）。進(jìn)一步他們通過輻射誘變AnS-1的種子篩選到了兩個(gè)不育起點(diǎn)溫度改變的突變體，分別命名為tms5 csit1-1和tms5 csit1-2。經(jīng)過鑒定，tms5 csit1-1和tms5 csit1-2突變體的表型相似，不育起點(diǎn)溫度均從AnS-1的26℃升至32℃。圖位克隆和遺傳驗(yàn)證顯示CSIT1編碼一個(gè)1,921個(gè)氨基酸的RING型E3泛素連接酶，tms5 csit1-1和tms5 csit1-2是等位突變體。
研究發(fā)現(xiàn)CSIT1受高溫誘導(dǎo)表達(dá)，其編碼的蛋白與80S核糖體互作參與蛋白質(zhì)質(zhì)量控制。CSIT1的N端與60SP0、60SL5-1和40S19互作，可能用于感應(yīng)蛋白質(zhì)翻譯停頓或核糖體大小亞基的解離；C端含有RING結(jié)構(gòu)域，結(jié)合在60S大亞基肽鏈釋放出口，可能參與未正確翻譯或未正確折疊蛋白的泛素化（圖1）。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)CSIT1能夠結(jié)合并且泛素化異常的ΔGFP（缺失13個(gè)氨基酸導(dǎo)致異常折疊的GFP蛋白）和GFP12R（GFP后面加連續(xù)12個(gè)賴氨酸導(dǎo)致翻譯異常），從而參與蛋白質(zhì)質(zhì)量過程。此外，CSIT1還能與過氧化氫酶（CAT）等花藥發(fā)育相關(guān)蛋白互作而泛素化降解。
圖1 CSIT1與核糖體結(jié)合參與蛋白質(zhì)質(zhì)量控制
高溫導(dǎo)致AnS-1中過度積累UbL40（含泛素）和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性降低，可能引起蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過程過度敏感，CSIT1異常泛素化降解CAT等這些花粉發(fā)育相關(guān)的蛋白，導(dǎo)致絨氈層和小孢子發(fā)育異常；同時(shí)，蛋白質(zhì)量控制過程產(chǎn)生的2,3 -環(huán)磷酸化ΔCCA tRNA不能被功能缺失的TMS5加工成能夠重新利用的tRNA，直接或者間接的影響花藥發(fā)育。而在tms5 csit1突變體中，CSIT1的突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)失速，不能過度泛素化這些花粉相關(guān)的蛋白，也
能過度積累2,3 -環(huán)磷酸化ΔCCA tRNA，導(dǎo)致育性的部分恢復(fù)和不育起點(diǎn)溫度的上升。（圖2）
總之，作者發(fā)現(xiàn)CSIT1通過核糖體偶聯(lián)的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制過程調(diào)節(jié)水稻溫敏雄性不育系的不育起點(diǎn)溫度，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)溫度的選育問題提供了潛在途徑。
圖2 CSIT1的工作模式圖
生命科學(xué)學(xué)院周海和莊楚雄研究員為該論文的通訊作者，出站博士后彭國清（現(xiàn)為仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院青年學(xué)者）、博士生劉明龍、教師朱麗雅博士和廣東省農(nóng)科院蔬菜研究所的羅文龍副研究員為論文的共同第一作者。該工作也得到了劉耀光院士、王應(yīng)祥教授、劉振蘭教授、劉林川教授、劉娥娥副研究員、劉慧麗副研究員等老師的幫助。該論文得到了廣東省“十四五”農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新十大重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和雙一流學(xué)科推進(jìn)項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00287-3
