近日，生命科學(xué)學(xué)院周海/莊楚雄團隊在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（論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00287-3），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溫度的分子機制，為解決兩系雜交育種中溫敏雄性不育系不育起點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、育種程序更加簡單和成本降低等優(yōu)勢，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溫度偏高或者遺傳漂移，在雜交制種時偶遇低溫天氣可能導(dǎo)致制種失敗而造成巨大的經(jīng)濟損失，限制了兩系雜交水稻的發(fā)展。目前，有關(guān)不育起點溫度基因的克隆和分子機制尚未有公開報道。
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)控溫敏不育的機理（Zhou et al., 2014）。進一步他們通過輻射誘變AnS-1的種子篩選到了兩個不育起點溫度改變的突變體，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，不育起點溫度均從AnS-1的26℃升至32℃。圖位克隆和遺傳驗證顯示CSIT1編碼一個1,921個氨基酸的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，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，也不能過度積累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)新十大重點項目、國家自然科學(xué)基金、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實驗室項目、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)科推進項目的資助。
文圖/生命科學(xué)學(xué)院
