JIPB | 华南农业大学农学院刘向东教授团队揭示热激蛋白NTRF1调控新型四倍体水稻育性的分子机制

多倍体水稻具有茎秆粗壮、籽粒增大、抗性增强及营养成分提高等优势, 有望成为应对未来全球气候变暖及恶劣环境的储备育种材料之一。近年来, 我国已成功培育出多个高育性的四倍体水稻品系, 有效突破了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈, 为其实际应用奠定了基础。新型四倍体水稻 (Neo-tetraploid rice) 是华南农业大学刘向东教授团队经过20多年努力培育出的高育性四倍体水稻新材料。该团队前期已鉴定并克隆了调控新型四倍体水稻育性的基因NTRF1 (Neo-Tetraploid Rice Fertile Gene 1), 但其分子调控机制尚不明确。

近日, JIPB在线发表了华南农业大学农学院刘向东教授团队题为“HSP101-encoding NEO-TETRAPLOID RICE FERTILITY GENE 1 regulates tapetum development through interaction with SAPK2 in polyploid rice”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70218)。该研究揭示了NTRF1通过与SAPK2互作, 调节ABA水平与ROS积累, 进而精准调控绒毡层细胞程序性死亡 (PCD) 及花粉发育的分子机制。

团队前期研究发现, NTRF1是水稻热激蛋白基因HSP101的一个新等位变异基因, 其第一个外显子存在一个碱基的特异变异, 即C变成G。研究进一步揭示, 该变异导致3个与携带HSP101的材料不同的结果: 一是NTRF1在正常条件下减数分裂期花药中高表达, 其CDS扩增产生两种转录本; 二是该变异属于错义突变, 使NTRF1蛋白在第三个丙氨酸 (Ala) 和甲硫氨酸 (Met) 残基之间形成了新的氢键; 三是改变了限制性内切酶识别位点, 由HSP101中的BspEI变为NTRF1中的BsmI。在ntrf1突变体中, 正常条件下结实率显著降低 (幅度达40%), 育性下降主要由花粉发育缺陷引起; 功能互补株系则可有效挽救这一缺陷, 其结实率基本恢复正常。值得注意的是, 二倍体水稻hsp101突变体育性却未发生变化, 与野生型基本一致。表明NTRF1在调控新型四倍体水稻花粉育性中具有重要的作用, 且功能是特异的。

通过细胞学研究进一步揭示, NTRF1功能缺失破坏了花药中ROS稳态, 导致绒毡层程序性细胞死亡 (PCD) 延迟, 线粒体发育及淀粉粒积累异常, 最终引起花粉活力与结实率下降。RNA-seq分析显示, ABA信号相关基因 (OsPP2C49、OsbZIP23)、ROS调控基因 (OsRBOH1、OsRBOH8) 表达异常, 绒毡层关键调控因子 (OsGAmyb、CYP703A3) 显著下调。转录组与代谢组多组学联合分析表明, 花粉活力下降与丙酮酸代谢途径相关 (图1)。

图1 ntrf1突变体细胞学观察及多组学分析

酵母双杂交、BiFC、LCI及Co-IP等实验证实, NTRF1可与ABA信号核心激酶SAPK2互作 (图2)。此外, 外源ABA处理可部分恢复ntrf1突变体的结实率, 表明NTRF1-SAPK2互作与ABA信号通路很可能是NTRF1调控新型四倍体水稻育性的关键。