JIPB丨福建省农业科学院谢华安院士/张建福研究员团队揭示水稻种子耐储性调控新机制

水稻种子在贮藏过程中易因环境胁迫导致活力下降, 严重影响农业生产。我国每年因种子劣变造成的经济损失巨大。因此, 提高种子耐储性对保障国家粮食安全、降低农业生产成本、推动种业高质量发展具有重要意义。

种子在干燥贮藏过程中含水量急剧下降 (通常低于5%), 易导致蛋白质变性并形成异常聚集体, 尤其在代谢活跃的质体中更为明显。研究表明, 蛋白质稳态维持能力是决定种子寿命的关键, 其中热激蛋白 (HSPs) 及其伴侣系统在种子抗老化过程中发挥核心作用。在植物中, HSP家族成员众多, 分布于不同细胞区室, 为种子发育、脱水及老化提供特异性保护。其中, 小分子热激蛋白 (sHSPs) 家族最为多样, 尤其在种子中表达显著, 提示其在种子生理中具有特殊功能。

在伴侣蛋白网络中, 伴侣蛋白 (chaperonins) 对维持细胞器蛋白质稳态至关重要。例如, 质体型伴侣蛋白CPN60与其共伴侣蛋白CPN10形成独特的ATP依赖折叠系统, 负责约15%–20%质体蛋白的正确折叠。与HSP70/HSP90系统不同, CPN60/CPN10复合体形成“双环桶状”结构, 将未折叠底物封闭在内腔中完成折叠, CPN10则作为可拆卸的 “盖子” 确保折叠过程完整。若CPN10功能缺失, CPN60桶状结构无法闭合, 易导致蛋白质聚集, 进而影响细胞功能。

有趣的是, 伴侣蛋白还参与激素信号传导。例如, 拟南芥中的叶绿体伴侣蛋白AtCPN20可与ABA受体CHLH/ABAR互作, 负调控ABA信号通路。然而, 在种子老化过程中, 蛋白质稳态系统如何与ABA信号协同作用, 尤其是伴侣蛋白是否作为下游效应因子维持细胞器稳态, 仍是未解之谜。

近日, JIPB在线发表了福建省农业科学院水稻研究所谢华安院士和张建福研究员团队题为“OsCPN10a, cooperating with OsCPN20 and OsHSP60-3B negatively regulate ABA signaling and enhance seed storability in rice”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70230)。该研究揭示了分子伴侣OsCPN10a如何协同OsCPN20与OsHSP60-3B负调控ABA信号, 进而调控种子耐储性, 为深入理解水稻耐储性提供了新线索。

该研究利用蛋白组学技术首次鉴定到一个10 kDa的共伴侣蛋白OsCPN10a, 其表达受ABA信号转录调控, 是水稻种子耐储性的正向调控因子。为明确其功能, 研究团队利用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了OsCPN10a敲除水稻株系, 同时获得了OsCPN10a的过表达转基因株系, 并开展人工加速老化 (AA) 处理实验。结果表明, 老化处理14和21天后, OsCPN10a过表达株系种子芽率显著高于野生型 (台农67), 而敲除株系种子发芽率则显著降低 (图1), 表明OsCPN10a正调控种子耐储性。

图1 OsCPN10a提高种子耐储性

进一步研究发现, OsCPN10a缺失会导致种子在老化过程中抗氧化酶活性下降、淀粉结构完整性受损, 同时伴随活性氧 (ROS) 过度积累, 从而显著降低种子活力 (图2)。

图2 OsCPN10a抑制衰老引起的淀粉结构紊乱并增强种子抗氧化活性

进一步机制研究表明, OsCPN10a并非独立发挥作用, 而是与OsCPN20和OsHSP60-3B形成功能性伴侣蛋白复合体。值得注意的是, 该复合体除了执行经典的蛋白质折叠功能外, 还参与调控ABA信号通路: 通过稳定ABA受体OsPYL10磷酸酶OsABIL1之间的互作, 精细调控ABA信号敏感性, 从而实现对种子活力的精准控制 (图3–4)。

图3 OsCPN10a增强OsCPN20、OsHSP60与OsPYL10相互作用

图4 OsCPN10a/OsCPN20-3/OsHSP60复合物稳定了OsPYL10与OsABIL1之间的相互作用

该研究在分子层面建立了蛋白质稳态与种子激素敏感性之间的直接机制联系, 不仅丰富了种子耐储性调控的理论体系, 也为分子设计育种提供了关键基因资源。未来可通过基因编辑或分子标记辅助选择等技术手段, 定向培育耐储性显著增强的水稻新品种, 有效延长种子贮藏寿命, 降低种业流通损耗, 提升我国种业核心竞争力。

福建农林大学已毕业博士廖素凤为该论文第一作者, 福建省农业科学院水稻研究所张建福研究员为通讯作者。该研究得到了福建省农业科学院水稻研究所谢华安院士的指导。该研究获得国家水稻产业技术体系 (CARS-01-08)、中国科技创新 2030-重大项目 (2023ZD040220306)、福建省优质美味杂交水稻新种质创制与应用 (NK2022050604-3)、福建省农业科学院重点科技项目 (KJZD202401) 以及福建省科技重大专项 (2024NZ029027) 的资助。