TT2 controls rice thermotolerance through SCT1-dependent alteration of wax biosynthesis
Yi Kan, Xiao-Rui Mu, Hai Zhang, Jin Gao, Jun-Xiang Shan, Wang-Wei Ye, Hong-Xuan Lin
全球变暖威胁着农作物生产。G蛋白介导植物对多种非生物胁迫的反应。本文鉴定了一个天然的数量性状位点TT2 (THERMOTOLERANCE 2)，它编码一个G蛋白γ亚基，赋予水稻在营养生长期和生殖生长期的耐热性，且无产量损失。一个TT2功能丧失的自然等位基因，与高温下蜡的更多保留和耐热性增加有关。机制上，我们发现一个转录因子SCT1 (Sensing Ca2+ transcription factor 1)，通过Ca2+增强的与钙调素的相互作用来解码Ca2+，并作为其靶基因的负调控因子(例如Wax Synthesis Regulatory 2 (OsWR2))。破坏TT2会引起受热触发的Ca2+减少，造成钙调素-SCT1互作减弱，这解释了观察到的热诱导蜡含量的变化。除了建立一个连接G蛋白、Ca2+传感和蜡代谢的桥梁，该研究阐明了开发潜在的无产量损失的耐热品种的创新方法。
该研究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，相较于对照，携带耐热性位点的近等基因系NIL-TT2HPS32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%，表明该基因位点在农业生产上有重要的应用价值。进一步的研究发现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，而在抗热的NIL-TT2HPS32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。在抗热的NIL-TT2HPS32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。G蛋白之前被多次报道参与动植物的钙信号调控（如RGA1）（Ma et al., 2015），该研究也证实了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，高浓度的钙离子会被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。
