行业 来源： 财讯网 时间：2024-08-30 23:05:50
全球变暖通过降低作物生产力和质量严重威胁全世界粮食安全。据预测，每超过最适温度1°C，小麦产量将下降约6%，而且在过去三十年中，热应激已导致全球小麦产量减少5.5%。印度矮小麦（Triticum sphaerococcum）对环境适应性增强，然而其耐热性潜在机制在很大程度上还是未知的。揭示控制印度矮小麦耐热性关键基因并解读它们相关的调控网络，对于探索这种种质以提高作物耐热性具有重要意义。
2023年3月7日，中国农业大学小麦研究中心孙其信院士、辛明明教授在Nature Communications发表文章“Natural variation of STKc_GSK3 kinase TaSG-D1 contributes to heat stress tolerance in Indian dwarf wheat”，文中鉴定了印度矮小麦中耐热基因TaSG-D1E286K，并通过磷酸化蛋白组揭示其如何增强耐热性。
主要结论：
1.小麦耐热基因TaSG-D1E286K鉴定
印度矮小麦T. sphaerococcum导入系ND4332在热应激条件下比普通小麦T. aestivum导入系HS2具有更高耐热性，幼苗存活率分别为78.3%和5.7%。而后使用ND4332和HS2生成F7重组自交系（RIL）群体进行QTL定位，鉴定了两个与耐热性相关的候选QTL，分别位于3D染色体和5A染色体上。其中3D染色体ND4332衍生等位基因TaSG-D1突变E286K（TaSG-D1E286K）提高耐热性，并解释11.7%表型变异。文中在TaSG-D1E286K近等基因系、五种携带TaSG-D1E286K等位基因的印度矮小麦、TaSG-D1E286K功能丧失品系、TaSG-D1过表达品系、成熟阶段进近等基因系等行了验证，综合结果表明，TaSG-D1中E286K突变是印度矮小麦提高耐热性的原因。
TaSG-D1E286K调控印度矮秆小麦的耐热性
2.TaSG-D1E286K通过调节TaPIF4赋予热耐受性
为阐明TaSG-D1E286K/TaSG-D1对热应激调控机制，文中通过酵母双杂交(Y2H)实验，筛选与TaSG-D1E286K/TaSG-D1相互作用蛋白质TaPIF4（TraesCS5B02G380200）。截断分析确认TaPIF4的C末端负责与TaSG-D1和TaSG-D1E286K相互作用，并进一步通过荧光素酶互补成像（LCI）、Pull-down和Co-IP验证。并通过CRISPR-Cas9技术表面TaPIF4基因敲除突变体展现出较差热耐受性。
TaSG-D1和TaSG-D1E286K与TaPIF4相互作用
对正常条件和热应激条件（42°C处理3h和6h）TaPIF4敲除品系Tapif4-7（Tapif4-KO）和野生型进行转录组测序以确定TaPIF4依赖的热响应基因。Tapif4-KO品系0h、3h和6h共有2289、4981和7278个基因下调。GO富集分析显示，0h下调基因主要涉及光合作用，3h和6h下调基因主要富集在与“热响应”、“蛋白质折叠”和“活性氧响应”相关条目。
3.TaSG-D1E286K增强TaPIF4蛋白稳定性
由于TaSG-D1E286K和TaSG-D1都是蛋白激酶，文中进行了体外磷酸化实验，结果发现这两种蛋白都触发了TaPIF4磷酸化。LC-MS/MS分析鉴定了14个TaPIF4磷酸化位点，14个位点由TaSG-D1介导磷酸化。TaPIF4D（磷酸化形式TaPIF4）在热应激下稳定性比TaPIF4更强，相比之下，TaPIF4A（TaPIF4非磷酸化形式）在热应激条件下蛋白稳定性比TaPIF4降低。为验证磷酸化形式TaPIF4生物学意义，在小麦中过表达了TaPIF4D，观察到TaPIF4D过表达品系在热应激条件下展现出更强的耐热性。
文中验证了E286K替换是否影响TaSG-D1E286K/TaSG-D1蛋白稳定性，TaSG-D1在热应激下逐渐降解，而TaSG-D1E286K蛋白丰度表现出较低降解水平。此外，与TaSG-D1相比，TaSG-D1E286K与TaPIF4相互作用更强，致使TaPIF4磷酸化水平增加且热应激下蛋白稳定性增强。不同时间周期无细胞降解测定证明在正常和热应激条件下，TaSG-D1E286K蛋白溶液中TaPIF4的降解速率低。总的来说，在印度和巴基斯坦高温地区，TaSG-D1E286K蛋白表现出对热应激的弱降解性，E286K突变使其与TaPIF4相互作用增强，磷酸化并稳定TaPIF4，因此在热应激条件下提高了耐热性；而在普通小麦中，TaSG-D1蛋白在热应激下不稳定，与TaPIF4的相互作用较弱，导致TaPIF4的磷酸化减少和降解增加，从而使热耐受性降低。
TaSG-D1和TaSG-D1E286K对TaPIF4蛋白稳定性的不同影响
4.TaSG-D1和TaPIF4基因组差异分析
为更好理解TaSG-D1E286K等位基因在小麦育种中利用情况，根据已发布重测序数据进行了分析。结果表明E286K变异仅限于印度和巴基斯坦T. sphaerococcum小麦，且TaSG-D1启动子序列是保守的。FST分析确定了现代品种和中国地方品种TaPIF4基因存在差异区域（549.0 Mb–574.0 Mb），在中国现代品种TaPIF4启动子发生了InDels。为探索与热应激反应相关TaPIF4表达水平自然变异，使用PlantCare分析了2-kb启动子序列，并鉴定了12个保守的胁迫响应元素，1909-bp插入、405-bp缺失、12-bp和275-bp缺失导致在热应激反应中LUC/REN活性显著降低，这表明中国现代品种中人工选择的TaPIF4启动子单倍型不利于耐热性改善。
我国小麦选择育种过程中TaPIF4人工选择足迹
文章小结
本研究在小麦中鉴定了一个耐热基因TaSG-D1E286K，并阐明了其响应热胁迫的分子网络，主要通过增强下游靶点TaPIF4在热应激条件下磷酸化水平和稳定性，从而提高小麦耐热性。这些发现不仅增强了对小麦耐热性的理解，同时也为今后提高小麦的耐热性提供了潜在的基因资源。
文中可见蛋白磷酸化在响应植物胁迫中起重要作用，磷酸化通过介导受体激酶信号转导从而控制植物响应生物或非生物胁迫，在植物不同过程中发挥关键作用。迈维代谢建立4D-label free磷酸化蛋白组检测平台，具有富集效率高、特异性好等优点，有效保证磷酸化位点检出数量。
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