PBJ | 华南农业大学庄楚雄/郑少燕团队最新研究成果:揭示OsHsfc1a基因在水稻耐热性中的关键作用

研究背景：应对全球气候变化，提升水稻耐热性至关重要

随着全球气候变化的加剧，高温事件频发，极大地威胁了水稻等重要粮食作物的生产和产量，尤其在水稻的幼苗期，高温对植物的生长和发育造成了严重影响。水稻是全球最重要的粮食作物之一，其对高温的耐受性是提高水稻产量和品质的关键因素之一（Zhao et al., 2017； Zhao et al., 2020）。然而，水稻在高温胁迫下，叶绿体膜系统的不稳定、光合作用受损、活性氧（ROS）积累等问题，都使得水稻在高温环境中无法正常生长（Yang et al., 2022）。

因此，解析水稻耐热性分子机制，特别是在幼苗期的耐热机制，具有重要的理论价值与现实意义。

研究发现：OsHsfc1a对水稻耐热性的调控作用

本研究团队通过系统的功能基因组学分析，将转录因子 OsHsfc1a 鉴定为水稻幼苗耐热性的关键正调控因子。研究发现，高温能强烈诱导OsHsfc1a的表达。在高温胁迫下，过表达OsHsfc1a的水稻植株表现出更强的耐热性，而敲除该基因的突变体则对高温异常敏感（图1）。这些暗示了OsHsfc1a在水稻应对高温胁迫过程中的关键调控作用。进一步的活性氧水平和细胞程序性死亡分析显示，在高温下，过表达OsHsfc1a的水稻植株中减少了过量ROS的积累和程序性细胞死亡（PCD）的发生（图2），表明OsHsfc1a通过维持细胞内活性氧稳态来调控植物的耐热性。

OsHsfc1a如何增强耐热性：叶绿体结构的稳定性是关键

水稻叶绿体是光合作用的主要场所，高温胁迫常导致叶绿体结构的破坏，尤其是类囊体膜的稳定性下降。OsHsfc1a通过维持叶绿体的结构完整性，显著改善了水稻在高温条件下的光合作用和生长表现。研究表明，在高温处理下，过表达OsHsfc1a的水稻品种能够保持良好的叶绿体结构，减少ROS的积累，而OsHsfc1a敲除品种则显示出叶绿体的严重损坏和更高的热敏感性（图3）。

研究团队通过电子显微镜观察发现，过表达OsHsfc1a的水稻品种，其叶绿体的类囊体膜层次紧密排列，保持了良好的结构和功能，而OsHsfc1a敲除品种则表现出类囊体膜的严重松散和破裂，影响了植物的光合作用效率。这表明，OsHsfc1a通过增强叶绿体结构的稳定性，帮助水稻在高温胁迫下维持正常的生理功能，从而提高其耐热性。

OsMFT1：OsHsfc1a调控耐热性的关键靶标

为了解开OsHsfc1a的工作机制，研究团队整合了转录组测序和DAP-seq（DNA亲和纯化测序）技术，揭示了OsHsfc1a与OsMFT1之间的转录调控关系，OsHsfc1a通过直接抑制OsMFT1的表达来调节水稻的耐热性。OsMFT1基因是水稻中的一个重要调控因子，先前的研究表明，它在植物的发育和胁迫反应中起着关键作用（Chen et al., 2021）。通过植物基因工程技术，研究团队构建了OsMFT1过表达和敲除水稻品种，发现OsMFT1过表达会加剧叶绿体损伤和细胞死亡，从而降低水稻的耐热性，而OsMFT1敲除则能够显著提高水稻的耐热能力（图4）。进一步的实验结果表明，OsMFT1通过调节与叶绿体相关的多个基因表达，影响叶绿体结构的稳定性。通过转录组分析发现，OsHsfc1a和OsMFT1调控的基因模块涉及到多个与叶绿体结构和ROS调控相关的基因，这些基因的表达变化与水稻的耐热性密切相关。

研究意义：为水稻耐热育种提供理论支持

通过对自然水稻种质的遗传分析发现，OsHsfc1a基因存在不同的天然变异类型（单倍型），这些变异与籼稻、粳稻等亚种的分化密切相关（图5）。这意味着该基因在漫长的水稻进化与驯化过程中已被自然选择，其中优异的单倍型有望用于分子标记辅助育种，为快速培育适应高温气候的“强健”水稻品种提供了极具价值的遗传资源和分子工具。这项研究为水稻的耐热性改良提供了新的分子基础。通过阐明OsHsfc1a和OsMFT1之间的调控机制，为水稻耐高温品种的育种提供了宝贵的基因资源。

随着全球气候变化的影响愈加显著，耐高温的水稻品种将成为农业生产中的重要目标。通过深入探讨OsHsfc1a和OsMFT1在水稻耐热性中的作用，不仅为耐高温水稻品种的育种提供了理论支持，也为未来水稻在全球气候变化背景下的稳定生产提供了重要的遗传资源。研究成果为水稻耐热性育种开辟了新的方向，并为全球农业应对气候变化提供了新的思路。未来，团队将继续深入探讨该调控途径的分子机制，并探索如何将这一发现应用于实际的水稻品种改良，为全球农业可持续发展贡献力量。

References:

l  Chen, Y., Shen, J., Zhang, L., Qi, H., Yang, L., Wang, H., Wang, J., et al. (2021) Nuclear translocation of OsMFT1 that is impeded by OsFTIP1 promotes drought tolerance in rice. Mol Plant. 14, 1297-1311.

l  Yang, Y., Yu, J., Qian, Q. and Shang L. (2022) Enhancement of heat and drought stress tolerance in rice by genetic manipulation: A systematic review Rice(N Y).15, 67.

l  Zhao, C., Liu, B., Piao, S., Wang, X., Lobell, D.B., Huang, Y. and Huang, M. (2017) Temperature increase reduces global yields of major crops in four independent estimates. Proc Natl Acad Sci USA. 114, 9326-9331.

l  Zhao, J., Lu, Z., Wang, L. and Jin, B. (2020) Plant responses to heat stress: Physiology, transcription, noncoding RNAs, and epigenetics. Int J Mol Sci. 22, 117.