Global warming threatens crop production. G proteins mediate plant responses to multiple abiotic stresses. Here we identified a natural quantitative trait locus, TT2 (THERMOTOLERANCE 2), encoding a Gγ subunit, that confers thermotolerance in rice during both vegetative and reproductive growth without a yield penalty. A natural allele with loss of TT2 function was associated with greater retention of wax at high temperatures and increased thermotolerance. Mechanistically, we found that a transcription factor, SCT1 (Sensing Ca2+ Transcription factor 1), functions to decode Ca2+ through Ca2+-enhanced interaction with calmodulin and acts as a negative regulator of its target genes (for example, Wax Synthesis Regulatory 2 (OsWR2)). The calmodulin–SCT1 interaction was attenuated by reduced heat-triggered Ca2+ caused by disrupted TT2, thus explaining the observed heat-induced changes in wax content. Beyond establishing a bridge linking G protein, Ca2+ sensing and wax metabolism, our study illustrates innovative approaches for developing potentially yield-penalty-free thermotolerant crop varieties.
全球變暖威脅著農作物生產。G蛋白介導植物對多種非生物脅迫的反應。本文鑒定了一個天然的數(shù)量性狀位點TT2 (THERMOTOLERANCE 2)，它編碼一個G蛋白γ亞基，賦予水稻在營養(yǎng)生長期和生殖生長期的耐熱性，且無產量損失。一個TT2功能喪失的自然等位基因，與高溫下蠟的更多保留和耐熱性增加有關。機制上，我們發(fā)現(xiàn)一個轉錄因子SCT1 (Sensing Ca2+ transcription factor 1)，通過Ca2+增強的與鈣調素的相互作用來解碼Ca2+，并作為其靶基因的負調控因子(例如Wax Synthesis Regulatory 2 (OsWR2))。破壞TT2會引起受熱觸發(fā)的Ca2+減少，造成鈣調素-SCT1互作減弱，這解釋了觀察到的熱誘導蠟含量的變化。除了建立一個連接G蛋白、Ca2+傳感和蠟代謝的橋梁，該研究闡明了開發(fā)潛在的無產量損失的耐熱品種的創(chuàng)新方法。
該研究通過正向遺傳學方法從水稻耐熱遺傳資源中定位克隆到了TT2，其編碼一個G蛋白γ亞基，并且負向調控水稻的耐熱性；熱帶粳稻來源的TT2存在一個SNP，使其編碼一個提前終止形式的蛋白，獲得較強的耐熱性，而在高溫敏感的溫帶粳稻中，該SNP的占比較低。在熱脅迫下，相較于對照，攜帶耐熱性位點的近等基因系NIL-TT2HPS32苗期成活率顯著提高，并且成熟期的單株產量也顯著提高、增幅達54.7%，表明該基因位點在農業(yè)生產上有重要的應用價值。進一步的研究發(fā)現(xiàn)TT2的功能有無，影響到熱脅迫后的蠟質代謝通路，在高溫敏感的對照株系中，蠟質相關調控基因呈現(xiàn)出明顯地受熱誘導而下調的趨勢，而在抗熱的NIL-TT2HPS32株系中，有一部分蠟質基因則呈現(xiàn)出不響應熱且穩(wěn)定表達的趨勢，其中包括一個正向調控蠟質合成的重要轉錄因子OsWR2。在抗熱的NIL-TT2HPS32株系中敲除OsWR2，發(fā)現(xiàn)其耐高溫的表型消失，證明在高溫脅迫下維持正常的蠟質含量對于水稻耐熱是至關重要的。為了進一步建立TT2與OsWR2表達水平的調控關系，研究人員通過對OsWR2上游啟動子的分析，發(fā)現(xiàn)了一類鈣調素結合轉錄因子（CAMTA）的結合元件CG1-like motif，并通過同源比對，找到了兩個水稻的CAMTA家族成員，并命名為SCT1和SCT2；進一步實驗證明SCT1可以直接結合OsWR2的啟動子，影響OsWR2的表達，并且負向調控水稻的耐熱性。SCT1帶有鈣依賴的鈣調素（CaM）結合位點，可以通過與CaM的互作來解碼胞內的鈣信號。G蛋白之前被多次報道參與動植物的鈣信號調控（如RGA1）（Ma et al., 2015），該研究也證實了TT2的功能缺失會導致熱誘導的鈣信號減弱。當正常功能的TT2存在時，高溫會誘導鈣信號的產生并使得胞內鈣濃度提高，高濃度的鈣離子會被CaM感知，并促進CaM與SCT1的互作，從而加強CaM對于SCT1轉錄活性的抑制，最終導致OsWR2在高溫條件下表達量迅速下調，蠟質減少并最終無法抵御高溫，呈現(xiàn)出熱敏感的表型。當TT2功能缺失時，熱誘導的鈣信號減弱，進而減弱了SCT1與CaM的互作，降低了CaM對于SCT1轉錄活性的抑制，最終維持了OsWR2在高溫脅迫下的正常表達和穩(wěn)定的蠟質含量，呈現(xiàn)出抗熱表型。