水稻耐高溫分子機制研究進(jìn)展

劉靜妍 閆雙勇 張融雪 孫林靜 孫 玥

摘? ? 要：水稻作為全球第三大糧食作物，是約50%世界人口的主要糧食，我國三分之二的人口以水稻為主食，保證我國水稻高產(chǎn)是確保我國糧食安全的重要課題。環(huán)境脅迫尤其是高溫脅迫對水稻的各個時期都會造成極大損害，從而降低水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。為解決上述難題提供可能性，多個研究組報道了水稻響應(yīng)高溫的分子機制。本文綜述了近年來對水稻響應(yīng)高溫分子機制的研究成果，從基因克隆、重要SNP鑒定及功能分析等方面闡述水稻耐高溫分子機制，為利用分子育種方法鑒定及選育耐高溫品種提供參考。

關(guān)鍵詞：水稻;耐高溫;分子機制;分子育種

中圖分類號：S511? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.01.004

Recent Advances in Molecular Mechanisms of Thermotolerance in Rice

LIU Jingyan， YAN Shuangyong， ZHANG Rongxue， SUN Linjing， SUN Yue

（Tianjin Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding， Tianjin Crop Research Institute，Tianjin 300384， China）

Abstract： As the third largest food crop in the world， rice is the main food for about 50% of the world's population. Two-thirds of China's population mainly eats rice. Ensuring high yield of rice in China is an important issue to ensure food security in China. Environmental stress， especially heat stress， will cause great damage to rice at all stages， thus reducing the yield and quality of rice. In recent years， several research groups have reported the molecular mechanism of rice response to heat， which provides the possibility to solve this problem. In this paper， the molecular mechanism of rice response to heat in recent years was reviewed. The molecular mechanism of rice thermotolerance was elaborated from the aspects of gene cloning， important SNP identification and functional analysis， which could provide a reference for identifying and breeding thermotolerantcrops by molecular breeding methods.

Key words： rice; thermotolerance; molecular mechanism; molecular breeding

全球變暖以各種方式威脅人類生存，其中之一是降低作物產(chǎn)量[1-3]。我國水稻種植面積為3 100萬hm2，約占世界種植面積的20%，總產(chǎn)量居世界第一。環(huán)境脅迫，例如溫度、干旱、鹽堿等脅迫，可影響植物種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長到生殖生長等一系列過程[4]。其中高溫脅迫對水稻各個時期均會產(chǎn)生不同程度的作用，嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]，進(jìn)而威脅我國食品安全[5]。

研究表明，在干旱期局部夜間溫度每升高1 ℃，水稻產(chǎn)量可減少10%[3]，全球變暖對其他的主要糧食作物包括小麥、玉米和大麥等的生產(chǎn)也造成了負(fù)面影響。2013年夏天中國東部的高溫天氣對農(nóng)作物造成了毀滅性的影響。植物通過重新設(shè)定它們的生長和發(fā)育來響應(yīng)溫度變化，盡管近年來在遺傳改造植物提高它們對高溫應(yīng)激的耐受力方面取得了一些進(jìn)展，但這些研究都主要局限于模式植物擬南芥。目前對水稻耐高溫的分子機制也有一定報道，本文主要綜述近年來水稻耐高溫基因的克隆及分子機制方面的研究進(jìn)展。

1 耐高溫基因TT1的克隆及重要SNP鑒定

非洲稻具有耐高溫的特性，因此發(fā)掘其中的分子機制，可以為育成耐高溫性水稻品種提供寶貴的基因資源[6-7]。為了鑒定耐高溫基因，上海植生所林鴻宣課題組以非洲稻品種CG14做供體親本，亞洲粳稻武運粳（WYJ）做輪回親本構(gòu)建染色體片段代換系CSSLs，發(fā)現(xiàn)CG14中至少有5個與耐高溫有關(guān)的QTL （quantitative trait locus），經(jīng)過精細(xì)定位鑒定了其中一個主效QTL 并命名為TT1。

TT1編碼一個26S蛋白酶體的α2亞基，參與蛋白質(zhì)泛素化降解過程，具有高度保守性，在小鼠及酵母中均能找到相似度高于70%的同源基因[8-9]。基因表達(dá)分析顯示TT1基因在非洲稻CG14中表達(dá)量較高，是WYJ的2倍左右，且明顯受高溫誘導(dǎo)表達(dá)。攜帶TT1片段的近等基因系NILCG14與親本NILWYJ相比在苗期具有明顯的耐高溫性。泛素組分析表明非洲稻中的TT1蛋白對維持該品種中高溫響應(yīng)蛋白的平衡，尤其是清除毒性蛋白從而保護植物細(xì)胞方面具有重要作用。研究者鑒定了該基因上的一個關(guān)鍵的功能SNP位點H99，具有該位點的非洲稻與沒有該位點的其他品種水稻相比，TT1基因表達(dá)上調(diào)2倍左右，高溫下的存活率增長1～3倍。研究者分析了含有非洲稻TT1片段的近等基因系的高溫表型，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，含有非洲稻TT1片段的NIL（CG14）在開花期及灌漿期高溫處理下具有更高的產(chǎn)量及更好的稻米品質(zhì)，暗示該基因在生產(chǎn)應(yīng)用方面的價值。異源表達(dá)TT1在高羊茅及擬南芥中均獲得了較好的耐高溫性，暗示該基因在耐高溫性方面具有普適性。TT1是第一個鑒定出的水稻耐高溫基因，Li等[10]鑒定了重要的功能SNP位點，且分析了TT1在水稻耐高溫過程中的分子機制，為后續(xù)分子育種改良品種提供良好的分子基礎(chǔ)。

2 受體激酶ERACTA參與水稻響應(yīng)耐高溫分子機制

類受體激酶被廣泛報道參與植物生長發(fā)育的各個途徑，ERECTA是其中研究最多的一個激酶[11]。該基因編碼一個富含亮氨酸重復(fù)序列的絲/蘇氨酸類受體激酶[12]，在植物生長發(fā)育、逆境脅迫等多方面發(fā)揮作用，包括葉片及花發(fā)育、氣孔分布等[13-14]。此外，ERECTA基因還參與赤霉素及生長素等激素信號通路和光信號通路介導(dǎo)的下胚軸伸長過程[11]，這些作用顯示了它在植物遺傳育種方面的應(yīng)用潛力。但ERECTA基因參與植物非生物脅迫響應(yīng)的分子機制尚不清楚。

中科院上海植物生理生態(tài)研究所何祖華研究組發(fā)現(xiàn)，在擬南芥、水稻及番茄中過表達(dá)ERECTA基因可以增強植株的耐高溫性，同時提高生物量。敲除或敲減該基因可不同程度降低植物的耐熱性。這為不改變植株生長狀態(tài)的同時提高植物耐逆性的分子改造提供基礎(chǔ)信息。作者從擬南芥中克隆了位于第二號染色體上的耐熱基因ERECTA，突變體表現(xiàn)出生長發(fā)育表型及溫度誘導(dǎo)的光合能力與軸背極性的異常[15-16]，ERECTA過表達(dá)植株表現(xiàn)出明顯的耐高溫表型，較野生型植株在高溫下的存活率有顯著提高（野生型約為48%，過表達(dá)植株為65%～75%），突變體則比野生型對高溫更敏感，高溫存活率較野生型降低20%左右。ERECTA基因是調(diào)節(jié)植物蒸騰效率及水分利用的關(guān)鍵作用元件[15]，該研究結(jié)果表明，過量表達(dá)ERECTA基因使植物的氣孔開度減小，正常溫度下提高植物水分利用率約30%，高溫條件下提高植物水分利用率約50%[17]。研究者為了證明該基因的功能普適性，在水稻和番茄中均過量表達(dá)ERECTA，得到的轉(zhuǎn)基因植株對高溫的耐受性均顯著提高，同時對水稻及番茄中的ERECTA進(jìn)行突變或敲除均降低這兩種植物的耐熱性。對實驗室數(shù)據(jù)及近3年上海、武漢地區(qū)的田間數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)：高溫脅迫后，水稻過表達(dá)植株的結(jié)實率為55%～70%，對照組僅為35%左右。在番茄中，過量表達(dá)該基因?qū)Ω邷氐哪褪苄钥商岣?～3倍。說明ERECTA對提高作物高溫耐受性具有顯著作用。這些結(jié)果都顯示ERECTA可作為提高作物耐逆性分子育種的候選基因。

3 蛋白泛素化清除機制參與水稻響應(yīng)耐高溫分子機制

蛋白泛素化是一種重要的蛋白翻譯后修飾，作為一種蛋白清除機制，在各種生命過程中發(fā)揮重要作用。26S蛋白酶體降解途徑是其中的一種，該過程需要包括E1、E2及E3蛋白參與，其中E3泛素連接酶與底物蛋白直接結(jié)合，介導(dǎo)其進(jìn)入26S蛋白酶體降解途徑[18]。許多E3泛素連接酶在非生物脅迫中的調(diào)控機制已被報道[19-20]。水稻中多個E3泛素連接酶參與多種非生物脅迫，包括鹽脅迫、重金屬脅迫及滲透脅迫等[21-24]，涉及溫度脅迫的E3也有很多，如OsHCI1[25]、OsHTAS[26]、OsHOS1[27]等，暗示E3泛素連接酶及26S蛋白降解途徑在水稻耐熱性中發(fā)揮了重要作用，但其中的具體作用機制仍未闡明。

最近，韓國Cheol Seong Jang研究組發(fā)現(xiàn)E3連接酶OsHIRP1介導(dǎo)的泛素化過程也參與了水稻響應(yīng)高溫的調(diào)控過程[28]。OsHIRP1轉(zhuǎn)錄水平受高溫及干旱脅迫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)，其蛋白定位在高溫條件下部分聚集在核中。通過酵母雙雜交篩選及鑒定，OSHIRP1與OsARK4及OsHRK1相互作用。作為E3泛素連接酶，OsHIRP1可以在體外泛素化OsAKR4和OsHRK1，這兩種蛋白僅在高溫情況下降解。過表達(dá)HIRP1可以使植物種子在高溫條件下有更高的萌發(fā)率（隨溫度升高上調(diào)1～5倍不等），并且植株在高溫逆境下的存活率也更高（對照組34%，試驗組64.7%）。一些高溫上調(diào)的標(biāo)記基因如HsfA3，HSP17.3，HSP18.2和HSP20等在過表達(dá)植株中明顯表達(dá)上調(diào)。根據(jù)這些證據(jù)，作者認(rèn)為OsHIRP1在水稻響應(yīng)高溫的分子調(diào)控過程中起到重要作用[28]。

4 轉(zhuǎn)錄因子參與水稻響應(yīng)高溫脅迫機制

轉(zhuǎn)錄因子在水稻非生物脅迫中的作用已有多個報道。過表達(dá)水稻OsDREB1可以增強植株對高鹽、干旱及低溫的耐受性[29]。在水稻中過表達(dá)TFIIIA 型鋅指蛋白增加游離脯氨酸和可溶性糖含量，可有效增強抗逆基因的表達(dá)，并提高植物抗旱性及抗鹽性[30]。WRKY家族是植物中一類參與各種生理過程的重要轉(zhuǎn)錄因子，大部分對WRKY蛋白作用的報道介紹了其在植物抗病方面的作用[31-32]。OsWRKY11編碼水稻一個WRKY結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子，在水稻中的表達(dá)受到熱脅迫及干旱脅迫誘導(dǎo)。為了規(guī)避組成型啟動子可能帶來的株型變化，研究者構(gòu)建了HSP101啟動子連接OsWRKY11的轉(zhuǎn)基因植株。熱處理后，過表達(dá)植株表現(xiàn)出明顯的耐高溫性和耐旱性，表現(xiàn)為葉片萎蔫較慢，植株成活率提高2倍左右（對照組分別為39.8%和46.6%，試驗組分別為81.7%和94.1%）。由于分離葉片的失水速度較慢，植物還表現(xiàn)出顯著的耐干燥性。以上結(jié)果表明，OsWRKY11基因在高溫干旱脅迫反應(yīng)中起著重要作用，可能有助于提高植物的逆境耐受性。

5 展 望

以上總結(jié)了近年來發(fā)表的水稻耐熱基因及其作用機制。值得注意的是比較有影響力的文章均出自中國研究組，說明我國水稻研究位于世界前列。近年來隨著極端高溫天氣出現(xiàn)時間和空間的增加，水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此解析水稻響應(yīng)高溫的基因及分子機制，尋找關(guān)鍵SNP，可為分子育種提供更多基因工具。目前這方面的研究仍舊很少，可用于育種的信息還需要進(jìn)一步挖掘，未來我們可以利用新的技術(shù)，如代謝組，eQTL等手段挖掘更多耐熱基因，并利用定點突變編輯技術(shù)加快育種速度，期待同行發(fā)表更多該領(lǐng)域的優(yōu)秀文章，育成更多耐逆優(yōu)質(zhì)的水稻品種，為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興助力。

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收稿日期：2019-12-03

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0100505）;天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研人員創(chuàng)新研究與實驗項目（2019001）天津市自然科學(xué)基金面上項目（19JCYBJC29500）;轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ棧?016ZX08001004-002）

作者簡介：劉靜妍（1986—），女，天津人，助理研究員，博士，主要從事水稻響應(yīng)溫度的功能研究。

通訊作者簡介：孫玥（1982—），女，吉林榆樹人，副研究員，主要從事作物遺傳育種研究。