生命科學(xué)學(xué)院楊俊課題組發(fā)現(xiàn)環(huán)化酶類似蛋白參與玉米籽粒發(fā)育新機制
本網(wǎng)訊??2022年2月15日，The Plant Cell雜志上在線發(fā)表了安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物抗逆育種與減災(zāi)國家地方聯(lián)合工程實驗室楊俊課題組題為“Maize RNA 3’-terminal phosphate cyclase-like protein promotes 18S pre-rRNA cleavage and is important for kernel development”的研究論文（https://doi.org/10.1093/plcell/koac052）。該研究揭示玉米RNA末端環(huán)化酶類似蛋白ZmRCL1參與18S核糖體RNA (rRNA)成熟和籽粒發(fā)育的分子機制。這是安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)首次以第一單位和通訊單位在The Plant Cell上發(fā)表研究論文。
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rRNA的加工過程在酵母和擬南芥中研究的比較清楚，rRNA前體（pre-rRNA）上有多個可供核糖核酸內(nèi)切酶和外切酶作用的位點。pre-rRNA通過不同的加工路徑在多個核糖核酸內(nèi)切酶和外切酶的共同作用下，在多個特定位點，經(jīng)過一系列的加工形成成熟的rRNA分子。最近，玉米中pre-rRNA加工模式解析發(fā)現(xiàn)其路徑與酵母有很多相似之處（圖1，Liu et al., JEB 2020）。然而，玉米中明確參與pre-rRNA的關(guān)鍵加工因子卻鮮有報道。
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圖1 玉米35S pre-rRNA加工途徑示意圖
楊俊課題組在擴繁轉(zhuǎn)座子插入突變體過程中發(fā)現(xiàn)了一個能夠穩(wěn)定遺傳的籽粒發(fā)育異常的材料，命名為rcl1。該突變體在授粉后10天就能被觀察到，石蠟切片顯示胚的細(xì)胞分化停滯，胚乳部分的基底轉(zhuǎn)運層和外圍糊粉層細(xì)胞分化也存在異常，醇溶和非醇溶蛋白的合成均受到影響，蛋白體的數(shù)目減少。成熟后的rcl1突變體籽粒胚發(fā)育不良，胚乳多為粉質(zhì)，淀粉含量和淀粉體形態(tài)也發(fā)生異常。通過圖位克隆和PCR產(chǎn)物測序發(fā)現(xiàn)在玉米RCL1上存在轉(zhuǎn)座子插入，并與表型緊密關(guān)聯(lián)。
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圖2 RCL1參與18S pre-rRNA加工過程A：Agilent 2100分析野生型和rcl1突變體總RNA?B：核糖體cRT-PCR分析野生型和rcl118S rRNA?C：野生型和rcl1籽粒Ribosome profile結(jié)果 D：cRT-PCR引物和Northern blot探針檢測示意圖 E：Northern blot檢測18S pre-rRNA加工中間體 F：cRT-PCR分析18S pre-rRNA加工中間體。
進一步的等位雜交和遺傳互補實驗也證實了RCL1突變導(dǎo)致籽粒發(fā)育和儲存物質(zhì)合成減少的表型。亞細(xì)胞定位顯示RCL1是一個核仁蛋白，這暗示它可能與其酵母同源蛋白Rcl1p的功能類似，參于pre-rRNA加工。通過Agilent 2100分析和環(huán)化RT-PCR等方法發(fā)現(xiàn)，rcl1突變體中成熟18S rRNA減少，而5.8S和25S rRNA的水平較為正常，說明RCL1參與18S rRNA加工，而非轉(zhuǎn)錄（圖2A，B）。與18S rRNA減少相一致的是，Ribosome profile發(fā)現(xiàn)rcl1中40S小亞基、80S核糖單體以及多聚核糖體含量減少，而60S大亞基升高（圖2C）。進一步通過Northern blot以及環(huán)化RT-PCR的方法發(fā)現(xiàn)RCL1參與到35S pre-rRNA的P’、A1、A2位點的剪切，與這些位點密切相關(guān)的rRNA中間體積累，相應(yīng)剪切產(chǎn)物的水平減少，從而引起成熟18S rRNA水平降低（圖2D-F）。由于多聚核糖體的減少，RT-qPCR和Western blot實驗發(fā)現(xiàn)rcl1籽粒中淀粉合成路徑的至少四個關(guān)鍵酶（PPDK，GBSS1，SS1和SS2）以及淀粉儲存蛋白編碼基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的核心轉(zhuǎn)錄因子Opaque2的翻譯過程受到影響。該研究發(fā)現(xiàn)了玉米RCL1的功能保守性，闡明了其通過參與18S pre-rRNA加工影響核糖體形成參與籽粒發(fā)育和儲存物質(zhì)合成的分子機制。(圖3)
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圖3 RCL1參與18S pre-rRNA加工，影響核糖體形成，進而影響關(guān)鍵蛋白翻譯過程，最后參與籽粒發(fā)育和儲存物質(zhì)合成的作用模式圖
??安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊俊課題組在讀博士生王濤為論文的第一作者，楊俊教授為論文的唯一通訊作者。實驗室已畢業(yè)碩士生常宇妹、在讀博士生趙凱和安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草所副研究員董慶也參與了該工作。該研究得到科技部重點研發(fā)計劃（2021YFF1000300）、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進項目和作物抗逆育種與減災(zāi)國家地方聯(lián)合工程實驗室開放基金（NELCOF20190105）的資助。（生命科學(xué)學(xué)院）
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