近日，生命科学学院周海/庄楚雄团队在Molecular Plant上发表了题为“The E3 ubiquitin ligase CSIT1 regulates critical sterility-inducing temperature by ribosome-associated quality control to safeguard two-line hybrid breeding in rice”的论文（论文链接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00287-3），首次揭示了E3泛素连接酶CSIT1通过蛋白质质量控制过程调控水稻温敏雄性不育的不育起点温度的分子机制，为解决两系杂交育种中温敏雄性不育系不育起点温度的选育问题提供了新思路。
两系杂交水稻育种是我国科学家首创的育种技术，相比三系杂交水稻育种技术，它具有不受恢保关系限制、配组自由、更加有利于利用杂种优势、育种程序更加简单和成本降低等优势，因而得到了迅速的发展。两系杂交水稻由环境敏感型雄性不育系和恢复系组成。由于水稻温敏雄性不育基因tms5遗传比较稳定，目前95%以上的两系杂交水稻的不育系是利用该基因。温敏雄性不育的不育起点温度（critical sterility-inducing temperature，CSIT）是指雄性育性从可育转变为不育的临界温度，它是保障两系杂交水稻制种安全的关键。然而，许多温敏核雄性不育的不育起点温度偏高或者遗传漂移，在杂交制种时偶遇低温天气可能导致制种失败而造成巨大的经济损失，限制了两系杂交水稻的发展。目前，有关不育起点温度基因的克隆和分子机制尚未有公开报道。
水稻温敏雄性不育基因tms5首次发现于温敏雄性不育系安农S-1（AnS-1）中。该课题组前期克隆了tms5并初步揭示了其调控温敏不育的机理（Zhou et al., 2014）。进一步他们通过辐射诱变AnS-1的种子筛选到了两个不育起点温度改变的突变体，分别命名为tms5 csit1-1 和tms5 csit1-2。经过鉴定，tms5 csit1-1 和tms5 csit1-2突变体的表型相似，不育起点温度均从AnS-1的26℃升至32℃。图位克隆和遗传验证显示CSIT1编码一个1,921个氨基酸的RING型E3泛素连接酶，tms5 csit1-1 和tms5 csit1-2是等位突变体。
研究发现CSIT1受高温诱导表达，其编码的蛋白与80S核糖体互作参与蛋白质质量控制。CSIT1的N端与60SP0、60SL5-1和40S19互作，可能用于感应蛋白质翻译停顿或核糖体大小亚基的解离；C端含有RING结构域，结合在60S大亚基肽链释放出口，可能参与未正确翻译或未正确折叠蛋白的泛素化（图1）。进一步发现CSIT1能够结合并且泛素化异常的ΔGFP（缺失13个氨基酸导致异常折叠的GFP蛋白）和GFP12R（GFP后面加连续12个赖氨酸导致翻译异常），从而参与蛋白质质量过程。此外，CSIT1还能与过氧化氢酶（CAT）等花药发育相关蛋白互作而泛素化降解。
图1 CSIT1与核糖体结合参与蛋白质质量控制
高温导致AnS-1中过度积累UbL40（含泛素）和蛋白质稳定性降低，可能引起蛋白质质量控制过程过度敏感，CSIT1异常泛素化降解CAT等这些花粉发育相关的蛋白，导致绒毡层和小孢子发育异常；同时，蛋白质量控制过程产生的2,3 -环磷酸化ΔCCA tRNA不能被功能缺失的TMS5加工成能够重新利用的tRNA，直接或者间接的影响花药发育。而在tms5 csit1突变体中，CSIT1的突变导致蛋白质质量控制系统失速，不能过度泛素化这些花粉相关的蛋白，也不能过度积累2,3 -环磷酸化ΔCCA tRNA，导致育性的部分恢复和不育起点温度的上升。（图2）
总之，作者发现CSIT1通过核糖体偶联的蛋白质质量控制过程调节水稻温敏雄性不育系的不育起点温度，为解决水稻两系杂交育种中水稻温敏雄性不育系不育起点温度的选育问题提供了潜在途径。
图2 CSIT1的工作模式图
生命科学学院周海和庄楚雄研究员为该论文的通讯作者，出站博士后彭国清（现为仲恺农业工程学院青年学者）、博士生刘明龙、教师朱丽雅博士和广东省农科院蔬菜研究所的罗文龙副研究员为论文的共同第一作者。该工作也得到了刘耀光院士、王应祥教授、刘振兰教授、刘林川教授、刘娥娥副研究员、刘慧丽副研究员等老师的帮助。该论文得到了广东省“十四五”农业科技创新十大重点项目、国家自然科学基金、岭南现代农业实验室项目、中国博士后科学基金、广东省自然科学基金和双一流学科推进项目的资助。
文图/生命科学学院
