【New Phytologist】中国农大揭示小麦中HSF-HSP通路热胁迫响应新机制

小麦 (Triticum aestivum L.) 是我国第二大口粮作物，其产量和品质直接关系到国家粮食安全和人民生活水平。小麦是喜凉作物，高温胁迫是影响小麦生产的重要限制因素。植物对于高温胁迫响应是一个非常复杂的过程，涉及到基因转录、转录后以及翻译等多个层面，而目前对于转录后以及翻译水平的研究相对减少，因此在转录后可变剪接水平以及翻译水平解析小麦高温胁迫响应分子机理，对于小麦耐热性遗传改良具有重要的理论和实际意义。

2023 年 7 月 4 日，New phytologist 在线发表了中国农业大学小麦研究中心题为“Alternative splicing of TaHSFA6e modulates heat shock protein–mediated translational regulation in response to heat stress in wheat”的研究论文，解析了小麦中 HSFA6e-HSP70 通路通过调控 mRNA 翻译进行的热胁迫响应分子调控机制。

该研究发现 TaHSFA6e 在热胁迫条件下会发生可变剪接，产生两个主要的转录本 TaHSFA6e-II 和 TaHSFA6e-III (图 1A)，且 TaHSFA6e-III 对于下游 3 个 TaHSP70s 靶基因的转录激活能力显著高于 TaHSFA6e-II (图 1B)，通过蛋白序列比对发现其氨基酸序列差异位置位于 C 端 345 位氨基酸之后 (图 1C) 、蛋白结构分析发现 TaHSFA6e-III 在氨基酸序列差异位置可以形成 α 螺旋，而 TaHSFA6e-II 在此处则是无规则的结构 (图 1D) 、通过双荧光素酶转录激活实验发现 TaHSFA6e-III 的转录激活能力更强是由于可变剪接使其C端形成了一个新的 AHA motif (图 1E)。

图 1 TaHSFA6e-III 新形成的 AHA motif

增强其对于下游 TaHSP70s 转录激活能力

通过 CRISPR-Cas9 基因编辑技术分别获得了 TaHSFA6e 的 A、B、D 部分同源基因均被编辑的转基因株系 KO-5、KO-11，3 个 TaHSP70s 各自 A、B、D 部分同源基因均被编辑的转基因株系 KO-31、KO-55，苗期耐热性表型鉴定发现 TahsfA6e 敲除植株、 Tahsp70s 敲除植株耐热性均显著低于野生型 (图 2)。

图 2 TahsfA6e 、 Tahsp70s 敲除突变体的

苗期耐热性表型鉴定

通过亚细胞定位分析发现热胁迫之后 3 个 TaHSP70s 均与应激颗粒的 marker 基因 AtRBP47 共定位于应激颗粒中 (图 3A)。在热胁迫恢复阶段， Tahsp70s 突变体中应激颗粒的解聚速度显著低于野生型 (图 3B)。

图 3 TaHSP70s 影响应激颗粒的解聚分析

多聚核糖体图谱分析发现 Tahsp70s 突变体中，热胁迫恢复 2h 时多聚核糖体含量仍显著低于正常水平，而在野生型中，热胁迫恢复 2h 时多聚核糖体含量已恢复到正常水平 (图 4A)。随后将野生型和 Tahsp70s 突变体中不同条件下的 total mRNA 和多聚核糖体结合的 mRNA 进行 RNA-seq 分析，通过对 RNA-seq 数据分析，我们一共鉴定到了 1175 个 stored mRNA (图 4B)，在热胁迫恢复阶段， Tahsp70s 突变体中 stored mRNA 的翻译效率显著低于野生型 (图 4C)。

图 4 野生型和 Tahsp70s 敲除小麦中多聚核糖体图谱

以及 stored mRNA 翻译效率分析

结论与讨论

综上所述，该研究鉴定到了 TaHSFA6e 热胁迫响应产生的两个主要的转录本: TaHSFA6e-II， TaHSFA6e-III，并解析了其转录激活能力存在差异的原因，随后从翻译水平解析 HSFA6e-HSP70s 进行热胁迫响应的分子机理，为小麦耐热性遗传改良提供候选基因与理论支撑。

中国农业大学农学院小麦研究中心 辛明明 教授为该论文的通讯作者，已毕业博士生 温晶晶、博士生 秦震、已毕业博士生 孙绿 为该论文的共同第一作者。孙其信 教授、倪中福 教授、彭惠茹 教授、姚颖垠 教授、胡兆荣 教授对该工作进行了指导和帮助。青岛农业大学 张玉梅 教授参与了该工作，感谢中国农业大学植物保护学院 王冬立 副教授对蛋白结构分析方面提供的指导和帮助，该工作得到了国家重点研发计划 (SQ2022YFD1200002) 、国家自然科学基金 (32072058, 31872867) 、内蒙古科技专项 (NMKJXM202201) 的资助。

团队介绍

孙其信 教授作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文 50 余篇。

转自：“iPlants”微信公众号

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