【Mol Plant 】浙江大学农业与生物技术学院都浩研究员团队揭示水稻节水节肥新机制

2023年12月5日，浙江大学农业与生物技术学院、水稻生物育种全国重点实验室都浩研究员团队在Molecular Plant 在线发表了题为“Mitigating growth-stress tradeoffs via elevated TOR signaling in rice”的研究论文。文中探讨了在节水处理（water-saving treatments, WST）情况下，水稻雷帕霉素靶蛋白（TOR）通过调控蛋白质的合成以及氮利用效率（NUE）相关基因的表达，影响水稻生产力和氮肥利用效率。该研究对于开发节水、节肥的水稻品种，促进可持续、高效的水稻生产具有重要意义。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.12.002

占农业总用水量近50%的传统水稻生产过程会释放大量的甲烷等温室气体。随着温室气体排放量的增加，加剧了全球气温升高和水资源短缺。此外，水稻种植的灌溉方式还会导致肥料流失、土壤盐碱化和水污染等不利因素。为了应对这一挑战，环保且具有成本效益的节水技术已在节水抗旱水稻品种种植中广泛采用。然而之前的研究中，将土壤含水量（SWC）维持在20%-25%范围内会引发水稻的干旱逃逸反应，植物体为了维持生存会导致产量和生物量显著下降。这阻碍了在水稻生产中WST的广泛采用，并且其潜在的生物学机制尚不清楚。

在正常或WST下TOR 信号调节水稻生长情况

该研究发现在WST情况下，伴随着TOR蛋白活性的抑制，水稻光合作用速率、蛋白含量、株高、分蘖数、生物量、产量均显著降低。通过TOR遗传材料表型发现，TOR-OE材料无论处于正常情况还是WST条件下，都比野生型水稻和TOR-RNAi材料具有相对更大的生物量。说明TOR的活性可以减轻WST引起的生长迟缓。

为了更好地了解 WST下 TOR 信号通路所涉及的翻译网络，通过多核糖体分析耦合转录组测序 (polysome-seq) 分析，鉴定到由 274 个基因编码的 mRNA，这些基因受到 WST 和低 TOR 活性条件的共同抑制，并且这些抑制在 TOR-OE 幼苗中显著减轻。这些基因分别参与翻译、氮同化、tRNA合成、氨基酸代谢、光合作用、碳水化合物代谢、次级代谢、转运蛋白、糖酵解、三羧酸循环、蛋白质降解、应激反应、信号传导等过程。

TOR 信号通路已被证明可以调节植物中的整体翻译水平和特定转录本的翻译。研究发现，水稻在WST后的总氮、蛋白质和氨基酸含量分别下降至野生型 63%、64% 和 61%左右。进一步发现，用 Torin2 处理的水稻或 TOR-RNAi 幼苗在 WST 下表现出相对更低的氮、蛋白质和氨基酸水平，而TOR活性较高的TOR-OE水稻幼苗则积累了相对较多的氮、蛋白质和氨基酸。体外磷酸化实验证实，水稻RPS6a 是S6K1的直接底物，而且其磷酸化程度随着TOR活性的变化而产生差异。通过构建rps6a突变体材料，发现其株高显著降低，但是分蘖数无明显变化。rps6a 材料在WST条件下，氮和蛋白质的相对水平显著下降，并且其中AAP1、NPF7.3 和 AMT1；1等氮同化基因的mRNA在多聚体RNA中的相对比例也明显降低。MAF1 是 RNA 聚合酶 III (RNA Pol III) 的保守阻遏物，通过控制真核生物中 tRNA 的生物合成参与蛋白质翻译。研究表明，MAF1 主要与 RNA Pol III 结合，并作为阻遏蛋白发挥作用，抑制细胞生长。在促进生长和涉及具有更高 TOR 活性的条件下，MAF1 可以解除其转录抑制。体外磷酸化试验证实， MAF1可以作为水稻中 TOR 的底物。在正常生长条件下，maf1突变体表现出株高增加，但花粉育性显著降低。通过测量WT、maf1突变体、TOE-OE和TOR-RNAi幼苗中的前tRNA转录水平，发现前tRNA的转录水平在WST后显著降低，并且与 WT 和 TOR-i 相比，TOR-OE和 maf1 突变体表现出相对较高水平的前 tRNA水平。这些结果表明 MAF1 在调节 tRNA 生物合成中发挥作用，并依赖于 TOR 活性。即TOR在水稻中的过度表达导致MAF1磷酸化受到抑制，从而增强了 tRNA 生物发生和随后的蛋白质合成，最终赋予对生长迟缓的抵抗力。总的来说在正常情况下，TOR通过TOR-S6K-RPS6模块和TOR-MAF1模块共同调节水稻细胞中的蛋白质翻译和前tRNA的生物合成，从而影响水稻蛋白翻译的全局调控。

此外，TOR 还可以通过控制 AAP1、NPF7.3 和 AMT1；1 等氮同化相关基因的5’非翻译区（5’UTR）来特异性调节与NH4+的吸收和分配相关蛋白质合成。这种调节保证了水稻对NH4+的正常吸收和利用，进而促进TOR活性并保证水稻的正常生长。然而，在WST情况下，TOR活性受到抑制。这种抑制导致 MAF1 磷酸化程度变高，S6K-RPS6 信号传导也受到抑制，使得tRNA 生物发生和蛋白质翻译效率受到影响。此外，AAP1、NPF7.3和AMT1;1的翻译也受到特异抑制，导致NH4+吸收和氮分配效率降低，从而降低氮利用效率和蛋白质合成，最终导致WST下水稻生长迟缓和生物量减少。这一发现表明，利用TOR 调控系统培育新型节水抗旱水稻潜在可能性。因此，该研究提出了一种有前途的策略，通过适度增强水稻中的TOR信号来平衡产量和节水条件，而不会造成严重的产量损失，从而促进全球低碳农业的发展。

浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学杭州国际科创中心李威博士，浙江大学农业与生物技术学院研究生刘佳琪和李泽琦为文章共同第一作者，浙江大学农业与生物技术学院和浙江大学杭州国际科创中心都浩研究员为该文通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心叶瑞强研究员，贵州大学农学院方中明教授，浙江大学农业与生物技术学院陶增研究员、宋士勇研究员、潘荣辉研究员、凃巨民教授，中国水稻所张健研究员，哈佛大学Jen Sheen教授对该研究内容提供很多帮助。该研究受到海南省三亚崖州湾科技城联合项目（320LH031和HSPHDSRF-2023-04-016）、浙江省自然科学基金项目（LY21C020003）、浙江大学-哈佛大学顶尖合作计划、、浙江省重点研发计划项目（2020C02002）、国家自然科学基金项目（32201819）、中国博士后科学基金项目（2022M712807）及美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）GM129093项目的资助。

通讯作者简介

都浩，浙江大学农业与生物技术学院研究员，博士生导师。浙江大学杭州国际科创中心生物与分子智造研究院双聘研究员。研究方向：水稻蛋白激酶SnRK1, TOR调控环境适应机制的研究；植物合成生物学技术平台创建及应用。至今在Nature、Mol Plant、Plant Biotechnol J、Plant J、Plant Physiol、J Integr Plant Biol、New Phytol、J Exp Bot、Theor Appl Genet等SCI收录期刊累计发表研究论文31篇，累计SCI他引次数超4000次。

转自：“iPlants”微信公众号

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