林鴻宣研究組闡明tRNAHis鳥苷轉移酶參與調控水稻適應環境溫度的新機制

        201956日,Molecular Plant雜志在線發表了中科院分子植物卓越創新中心/植物生理生態研究所林鴻宣研究組題為“Translational Regulation of Plant Response to High Temperature by a Dual Function tRNAHisGuanylyltransferase in Rice”的研究論文,揭示了水稻tRNAHis鳥苷轉移酶通過參與生長素響應因子蛋白翻譯調控過程適應環境溫度的新機制。

    高等植物擁有固著生長的特性,因此發展出多種適應環境溫度生長的策略。對于植物適應高溫,包括表觀調控、轉錄調控、熱激蛋白、蛋白酶體等多種分子機制已逐漸闡明,但是對于蛋白翻譯調控植物高溫適應性的研究仍較少。林鴻宣研究組通過大規模EMS誘變,篩選到一個株高、結實率、葉寬、分蘗數等多種重要農藝性狀在上海與海南產生明顯差異的突變體,該突變體在上海夏季高溫環境下表現為矮稈、結實率低、窄葉、小穗,而在海南冬季溫度較低的條件下卻出現為與野生型“特青”類似的表型。作者把該突變體命名為adaptation to environmental temperature 1 (aet1)。通過正向遺傳學定位并克隆了AET1基因。該基因編碼一個tRNAHis鳥苷轉移酶,對tRNAHis5’端行使3’5’RNA聚合酶活性,是tRNAHis成熟的關鍵步驟。多種遺傳手段確認AET1的突變是造成aet1突變體在不同地區生長差異的原因。體外酶活實驗表明,AET1具有tRNAHis鳥苷轉移酶活性,對野生型和突變體進行tRNA測序發現,由于aet1中的突變形式AET1P382S蛋白喪失了酶活,使多種tRNA分布出現紊亂,進而導致水稻蛋白翻譯過程出現障礙。進一步研究發現AET1與兩個核糖體相關蛋白RACK1AeIF3h發生兩兩相互作用,形成分子調控???,這三個蛋白均定位于細胞質,而且它們的表達均受高溫誘導上調。此外,利用AET1抗體對野生型和突變體進行RNA免疫共沉淀實驗發現,AET1可以與多種生長素響應因子OsARFmRNA結合。體外RNA-EMSA實驗意外發現AET1能夠非選擇性與多種mRNA區域結合,而RACK1AeIF3h則不能結合。核糖體蔗糖密度梯度離心實驗結果表明,相較于野生型,aet1突變體的核糖體蛋白翻譯狀態沒有發生明顯改變,但是OsARF19OsARF23等蛋白翻譯效率下降、在高溫條件下降低更明顯,這可能與aet1突變體中多種tRNA分布出現紊亂有關。RACK1AeIF3h敲除植株與aet1突變體類似,也表現出多種生長劣勢的表型。Western結果表明OsARF23表達量在三個突變體中比野生型均明顯下降。生長素處理發現,aet1突變體也表現出生長素不敏感表型。本研究發現AET1除了具有鳥苷轉移酶活性外,還具有與核糖體相關蛋白一起調控蛋白翻譯過程的新功能,為植物適應環境溫度機制的研究提供新的思路。

    博士研究生陳可、博士后郭韜及厲新民為本論文的共同第一作者,林鴻宣研究員和單軍祥副研究員為通訊作者。該工作得到韓斌研究組的大力幫助。項目獲得了國家自然基金委、科技部和中科院的經費資助。

    論文鏈接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30162-5

 

1:上海高溫下WT、aet1的表型及統計;海南較低溫度下WT、aet1的表型及統計;WTaet1不同溫度處理的表型及統計。