生命科学学院饶玉春课题组在叶绿体发育机制上取得新进展

来源：浙江师范大学时间：2023-12-17

叶绿体作为水稻重要的细胞器，在水稻的生长发育过程中起到重要作用。叶绿体可以吸收光能并转化成植株可以利用的化学能贮藏起来，其转化效率高低直接决定了水稻最终产量及品质。但是关于叶绿体发育机制目前仍未被完整阐述。

12月14日，浙江师范大学生命科学学院饶玉春课题组在农学顶级期刊Rice（SCI 一区top，IF=5.5）在线发表题为“WLP3 Encodes the Ribosomal Protein L18 and Regulates Chloroplast Development in Rice”的研究论文。本研究中挖掘到一个新的调控水稻叶绿体发育的基因WLP3，通过生理生化实验揭示其可能的作用机理，对深入了解水稻核糖体蛋白参与叶绿体发育调控的分子机理具有重要意义。

本研究从粳稻中花11的EMS突变体库中筛选到一个高温白化的水稻突变体wlp3，突变体幼苗在28℃以上呈现白化，伴随叶绿体发育的异常。图位克隆结果显示WLP3编码一个定位在叶绿体的核糖体蛋白，在玉米、大麦、短柄草中具有较高同源性基因，并且包含一个核糖体L18/5e的结构域。WLP3的突变导致水稻在高温环境中与叶绿体发育相关基因HEMA1、PORA1等基因显著下调。同时WLP3的突变降低了水稻对ABA的敏感程度，也在减弱了水稻对于干旱的耐受能力。酵母双杂和BiFC实验证明WLP3会与其他的核糖体蛋白结合共同调控水稻叶绿体发育，并且与其他核糖体蛋白互作会影响WLP3的定位，暗示WLP3可能参与其他生理代谢活动。该研究为进一步了解水稻叶绿体发育机制，为培育具有高光合效率的优质高产水稻奠定理论基础。

Fig 1. WT and wlp3 phenotypes. (A) phenotypes at the mature stage (scale bar = 20 cm) . (B) Spike phenotype maps (scale bar = 5 cm) .

Fig 2. Time-space expression of WLP3. (A) stem, (B) panicle, (C) sheath, (D) root, (E) coleoptile, (F) leaf. (G) WLP3 expression in different tissues. (H- K) PYBA1132-eGFP transiently expressed in tobacco. (L-O) WLP3 transiently expressed in tobacco.

Fig 3. WLP3 interacts with other ribosomal subunits. (A) Y2H analysis of WLP3. In yeast cells, WLP3 is associated with RPL4,RPL5,RPL9,WGL2,RPS6 and ASL2, respectively. (B) Co-localization of WLP3 with other ribosomal subunits.WLP3 interact with other ribosomal subunit WLP3-EGFP fluorescence from the chloroplast transfer to the cytoplasm and nucleus.

Fig 4. Putative WLP3 pathways affecting rice leaf color.WLP3 is first transcribed and translated by nuclear genes, assembles with other ribosomal subunits in cells, and enters chloroplasts to translate the genes related to leaf color and photosynthesis transcribed by the chloroplast genome . When WLP3 is mutated, the genes in the chloroplast cannot be translated normally , ultimately causing the change in rice leaf color (Fig. 10) .

本研究成果，浙江师范大学生命科学学院硕士研究生芦涛为论文第一作者，浙江师范大学饶玉春教授、中国水稻研究所王跃星研究员、安庆师范大学穆丹教授为共同通讯作者。浙江师范大学生命科学学院殷文晶、朱超宇、钟芊芊等参与本项研究。

近年来，该课题组和合作者在水稻叶片形态特征发育机制和穗部器官演化方面取得了关键进展。先后挖掘了控制水稻早衰基因ESL1（SCI 一区 top，The Crop Journal，2022，10：310–322），该研究通过生理生化及遗传学研究手段揭示了黄嘌呤脱氢酶调控水稻生长和叶片衰老的分子机制，ESL1通过维持ROS的稳态来调控光合作用和叶绿体发育及降解途径，研究结果有助于构建和完善水稻叶片早衰分子调控网络，对水稻产量和品质育种具有重要的理论和指导意义；高温致病斑基因HES1（SCI 一区top，New phytologist，2022，233(1)：344–359）报道了UDP-N-乙酰氨基葡萄糖焦磷酸化酶在水稻对高温胁迫的适应中起关键作用，HES1功能缺失导致ROS暴发和叶绿体降解，引发DNA损伤和细胞凋亡，促进了其体内ROS的积累；水稻类病斑基因SPL36(SCI 一区top，Rice，2021,14:34)，首次明确了类受体激酶在水稻叶片病斑发生过程的作用机制，也是首次报道了类受体激酶参与水稻耐胁迫和抗病相关进程；控制水稻小穗基因LRG1（SCI一区top，Science Bulletin，2020，65(9)：753–764），该研究进一步证实了副护颖、护颖和外稃是同源器官，为护颖恢复成外稃提供了可能，进而为“三花小穗”假说提供了支持；多花小穗基因MOF1（SCI一区top，Plant physiology,2020,184(1):251-265）深度解析了水稻小穗内小花数目的调控机制，提供了一条新的增加“每穗粒数”的方法和观点，为培育“多花小穗”水稻品种提高每穗粒数，进而提高水稻产量奠定基础。本研究得到浙江省自然科学基金重点项目和浙江省杰出青年基金赞助。