336抗逆育种与减灾国家地方联合工程实验室

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工程实验室杨俊教授课题组发现环化酶类似蛋白参与玉米籽粒发育新机制

  2022-02-17  发布于  学术活动  栏目中  浏览次数  

     2022年2月15日,The Plant Cell杂志上在线发表了安徽农业大学生命科学学院作物抗逆育种与减灾国家地方联合工程实验室杨俊课题组题为“Maize RNA 3’-terminal phosphate cyclase-like protein promotes 18S pre-rRNA cleavage and is important for kernel development”的研究论文(https://doi.org/10.1093/plcell/koac052)。该研究揭示玉米RNA末端环化酶类似蛋白ZmRCL1参与18S核糖体RNA (rRNA)成熟和籽粒发育的分子机制。这是安徽农业大学首次以第一单位和通讯单位在The Plant Cell上发表研究论文。



      rRNA的加工过程在酵母和拟南芥中研究的比较清楚,rRNA前体(pre-rRNA)上有多个可供核糖核酸内切酶和外切酶作用的位点。pre-rRNA通过不同的加工路径在多个核糖核酸内切酶和外切酶的共同作用下,在多个特定位点,经过一系列的加工形成成熟的rRNA分子。最近,玉米中pre-rRNA加工模式解析发现其路径与酵母有很多相似之处(图1,Liu et al., JEB 2020)。然而,玉米中明确参与pre-rRNA的关键加工因子却鲜有报道。



        杨俊课题组在扩繁转座子插入突变体过程中发现了一个能够稳定遗传的籽粒发育异常的材料,命名为rcl1。该突变体在授粉后10天就能被观察到,石蜡切片显示胚的细胞分化停滞,胚乳部分的基底转运层和外围糊粉层细胞分化也存在异常,醇溶和非醇溶蛋白的合成均受到影响,蛋白体的数目减少。成熟后的rcl1突变体籽粒胚发育不良,胚乳多为粉质,淀粉含量和淀粉体形态也发生异常。通过图位克隆和PCR产物测序发现在玉米RCL1上存在转座子插入,并与表型紧密关联。




         进一步的等位杂交和遗传互补实验也证实了RCL1突变导致籽粒发育和储存物质合成减少的表型。亚细胞定位显示RCL1是一个核仁蛋白,这暗示它可能与其酵母同源蛋白Rcl1p的功能类似,参于pre-rRNA加工。通过Agilent 2100分析和环化RT-PCR等方法发现,rcl1突变体中成熟18S rRNA减少,而5.8S和25S rRNA的水平较为正常,说明RCL1参与18S rRNA加工,而非转录(图2A,B)。与18S rRNA减少相一致的是,Ribosome profile发现rcl1中40S小亚基、80S核糖单体以及多聚核糖体含量减少,而60S大亚基升高(图2C)。进一步通过Northern blot以及环化RT-PCR的方法发现RCL1参与到35S pre-rRNA的P’、A1、A2位点的剪切,与这些位点密切相关的rRNA中间体积累,相应剪切产物的水平减少,从而引起成熟18S rRNA水平降低(图2D-F)。由于多聚核糖体的减少,RT-qPCR和Western blot实验发现rcl1籽粒中淀粉合成路径的至少四个关键酶(PPDK,GBSS1,SS1和SS2)以及淀粉储存蛋白编码基因转录调控的核心转录因子Opaque2的翻译过程受到影响。该研究发现了玉米RCL1的功能保守性,阐明了其通过参与18S pre-rRNA加工影响核糖体形成参与籽粒发育和储存物质合成的分子机制。(图3)



         安徽农业大学生命科学学院杨俊课题组在读博士生王涛为论文的第一作者,杨俊教授为论文的唯一通讯作者。实验室已毕业硕士生常宇妹、在读博士生赵凯和安徽省农业科学院烟草所副研究员董庆也参与了该工作。该研究得到科技部重点研发计划(2021YFF1000300)、安徽农业大学高层次人才引进项目和作物抗逆育种与减灾国家地方联合工程实验室开放基金(NELCOF20190105)的资助。


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