PNAS | 曹晓风、杨远柱团队合作揭示核糖体质量控制调控温敏雄性不育水稻育性转换新机制

BioArt植物 · 公众号 · · 2025-02-07 12:23

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两系杂交稻 是水稻杂种优势利用的重要途径，极大推动了杂交水稻的发展。超过95%的温敏两系杂交稻组合都是由含有温敏雄性不育基因 tms5 的不育系配组而成，凸显了 tms5 在两系法杂交稻育种中的核心地位。由于全球极端天气呈常态化趋势，不育系杂交制种时遭遇低温天气易导致制种失败，造成巨大的经济损失，从而限制两系杂交水稻的发展。温敏雄性不育系的 转育起点温度 (critical sterility-inducing temperature, CSIT) 是雄性育性从可育转变为不育的临界温度，是保障两系杂交水稻制种安全的关键。

前期，中国科学院遗传与发育生物学研究所 曹晓风 团队和华南农业大学 庄楚雄 团队合作成功克隆了 TMS5 基因，该基因编码保守的 核糖核酸酶RNase Z ^S1 (Zhou et al., 2014, Nature Commun ) 。近期，遗传发育所 曹晓风 团队、 陈宇航 团队和袁隆平农业高科技股份有限公司 杨远柱 团队合作揭示了TMS5作为tRNA环磷酸酶，修复核糖体质量控制通路（ribosome-associated quality control，RQC）产生的2′,3′-环磷-tRNA进而调控水稻温敏雄性不育的分子机制 (点击查看： Cell Research | 曹晓风/陈宇航/杨远柱合作团队揭示水稻温敏不育分子机制 ) ；以及进一步研究揭示了RQC 通路上游因子E3泛素连接酶OsHel2通过阻碍停滞核糖体上mRNA的通读，来调节温敏雄性不育水稻的育性转换 (Liu et al., 2024, Plant Commun ) 。 将RQC通路与雄性温敏不育过程紧密联系在一起，为动物和其他物种中的相关研究提供了线索和研究范式。

然而， tms5 依赖的温敏不育系转育起点温度调控的分子网络仍有待进一步完善。近日，该团队揭示了RQC成员OsRqc2通过选择性结合tRNA，改变进入RQC中的tRNA水平，进而调控 tms5 依赖的温敏不育系转育起点温度。相关成果于2025年2月6日以“ tRNA selectivity during ribosome-associated quality control regulates critical sterility-inducing temperature in two-line hybrid rice ”为题在 PNAS 上在线发表。

研究团队首先通过EMS诱变筛选获得了一个中高温下可以恢复株1S (国内配制杂交早稻品种最多的温敏核不育系，携带 tms5 突变位点) 育性的抑制子 sot4 ，将转育起点温度从23℃升至>25℃。遗传分析及同源比对显示 SOT4 编码的蛋白和酵母中Rqc2p为同源蛋白，因此将其命名为OsRqc2。抑制子 sot4 ( tms5 osrqc2-1 ) 点突变 (C-T) 发生在其CC2 (coiled-coil 2) 结构域上，导致其第552位Thr突变为Ile。有趣的是，这个位点在不同物种中保守且存有分化，在动植物中主要为Thr，真菌中为Ile，细菌和古菌中主要为Ile或Leu。遗传实验及体内生化实验证明OsRqc2参与调控 tms5 突变体转育起点温度，且T552I突变导致其添加CATylation (C-terminal alanine and threonine modification) 的速率变慢。进一步，通过RIP-tRNA-seq揭示OsRqc2 T552I结合tRNA-Ala/Thr能力变强，而结合tRNA-Ser/Ile能力减弱。同时，通过质谱鉴定水稻中C-terminal tails产物的氨基酸组成再次验证了这一发现。接着，通过高通量测定环磷RNA (RcP-RNA-seq) 和全长tRNA (FINE-tRNA-seq) 技术，发现抑制子 tms5 osrqc2-1 能部分恢复体内tRNA-Ser/Ile的环磷和成熟tRNA水平。此外，在株1S中过表达tRNA-Ser或tRNA-Ile能部分恢复其育性，将转育起点温度从23℃升至>25℃，再次说明抑制子 tms5 osrqc2-1 通过部分恢复体内成熟tRNA-Ser/Ile水平，进而提高 tms5 突变体育性转育起点温度。

综上所述，该研究提出了如下工作模型：在单细胞和多细胞生物的演化过程中，相比于“Ile”类型，“Thr”类型的Rqc2能结合更多种类的tRNA，使其具有更高效的CATylation能力以维持体内蛋白稳态。于是，该位点在自然选择中被保留下来。在抑制子 tms5 osrqc2-1 中，OsRqc2 T552I突变使得OsRqc2由“Thr”类型转变为“Ile”类型，结合tRNA-Ser/Ile的能力减弱，这部分未结合的tRNA“逃离”RQC途径，进而恢复这部分成熟tRNA水平，从而提高 tms5 突变体育性转育起点温度。因此， 该研究不仅为解析不同物种中CATylation的分化差异提供了实验证据，也提供了通过改造OsRqc2的CATylation能力以实现降低育性转育起点温度的新视角。

PNAS | 曹晓风、杨远柱团队合作揭示核糖体质量控制调控温敏雄性不育水稻育性转换新机制

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