Mol Plant.

花匠小妙招
2025-01-16 20:34

导读：

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。为了应对这一挑战，环保且具有成本效益的节水技术（WST）已在节水抗旱水稻品种种植中广泛采用。

本研究中，作者发现水稻在WST下雷帕霉素（rapamycin，TOR）信号通路靶点被破坏。Polysome-seq分析揭示了响应WST的全局翻译的大幅减少与TOR活性下调相关。分子、生化和遗传分析揭示了TOR-S6K-RPS6阳性和TOR-MAF1阴性模块对WST下翻译抑制的影响。有趣的是，在WST条件下，铵通过增强TOR信号，同时促进铵和氮的吸收和利用，表现出更强的缓解生长限制的能力。作者进一步证明，TOR通过5'非翻译区在翻译水平上调节铵转运蛋白AMT1；1、氨基酸渗透酶APP1和二肽转运蛋白NPF7.3。

总的来说，这些发现表明，增强TOR信号可以通过调节蛋白质合成和NUE的过程来减轻WST导致的水稻产量损失。本研究将有助于选育水肥利用效率更高的水稻新品种。

文章索引：

标题：Mitigating growth-stress tradeoffs via elevated TOR signaling in rice.

发表期刊：Molecular Plant

发表时间：2024.02

作者团队：浙江大学农业与生物技术学院都浩研究员团队

IF：17.1

DOI：10.1016/j.molp.2023.12.002.

研究概览

研究结果

（1）节水处理（WST）抑制TOR活性，降低水稻产量

作者发现在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。

（2）节水处理（WST）抑制TOR调控的蛋白翻译

TOR在翻译调控中起着至关重要的作用。Polysome profiling分析显示：WT幼苗WST后RNA分布从多体(P)到非多体（NP）部分的显著变化（图1N）。TOR-i和Torin2处理的幼苗在WST后显示出较低的polysome水平，而TOR-OE处理的幼苗在WST后显示出较高的polysome比例（图1N）。

为了更好地了解WST下TOR信号通路所涉及的翻译网络，作者通过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（图O-P）。

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（图1Q-S）。

（3）节水处理（WST）抑制TOR-S6K-RPS6信号调控的翻译

据报道，RPS6/eS6在调节翻译中起着至关重要的作用，并且在不同条件下被TOR-S6K信号磷酸化。那S6K-RPS6信号通路如何影响水稻WST下的翻译？

作者通过体外磷酸化实验证实了RPS6a是S6K1的直接底物（图2A）。而且其磷酸化程度随着TOR活性的变化而产生差异（图2B-C）。表明WST导致了RPS6的抑制，并强调了RPS6活性对TOR的依赖性。

为了研究在WST条件下水稻RPS6在TOR信号传导中的功能，作者构建了rps6a突变体。在正常条件下，该突变体在苗期表现出与WT相似的表型（图2D）。然而，在WST下，则表现出相对较短的茎长和较少的生物量（图2D-2F），表明RPS6是WST期间必不可少的生长调节剂。另外，在WST条件下，突变株中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（图2G-J）。

（4）TOR抑制MAF1促进tRNA合成

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。

体外磷酸化试验证实，MAF1可以作为水稻中TOR的底物（图3A）。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（图3B和3C），这表明maf1可能通过RNA Pol III途径调节了生长过程。

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(图3E-F)。这些结果表明，MAF1在tRNA生物发生中起调节作用，而tRNA生物发生依赖于TOR活性。

为了研究maf1突变体是否在WST引起的抑制下表现出蛋白质合成的改变，作者检测了maf1突变体和WT的相对蛋白质含量。结果观察到在WST条件下，maf1突变体的相对蛋白质含量比WT高（图3G）。

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。

（5）TOR调节与氮吸收和分配相关的mRNA的翻译

接着，作者评估TOR对特定mRNA翻译的影响，如AAP1、NPF7.3和amt1；1。结果发现：在TOR活性被抑制的原生质体中，AAP1、NPF7.3和AMT1；1蛋白的新合成水平显著降低，约为对照组的20%-30%（图4A-B）。相比之下，TOR-OE水稻新生合成mRNA的丰度比WT高2-3倍（图4C-D），这表明TOR促进原生质体中AAP1、NPF7.3和AMT1；1蛋白的翻译，这意味着TOR可能在翻译水平上参与了水稻氮素吸收和分配的调节。

TOR抑制剂处理水稻幼苗后，进行核糖体分离并提取P RNA，用于RT-PCR检测。结果显示，当TOR活性被抑制时，水稻中P mRNA的AAP1、NPF7.3和amt1；1转录物显著减少（图4E），这表明AMT1；1mRNA的核糖体装载效率降低与TOR活性抑制有关。免疫印迹分析显示WST或Torin2处理过的水稻中AMT1；1的蛋白丰度减少，与TOR活性降低一致（图4F）。但TOR活性的增强导致水稻中AMT1；1蛋白积累的增加，特别是在WST条件下（图4G）。

利用Polysome profiling分析和qRT-PCR的结合，作者检测了这些mRNA在Polysome中的比例。结果显示，TOR-1幼苗和torin2处理的幼苗中低TOR活性降低了这些mRNA的翻译（图4H）。有趣的是，过表达TOR减轻了WST的抑制作用，导致更多的靶mRNA在多体中积累（图4H）。总之，这些发现表明，TOR信号增强了与氮吸收和分配相关的特定mRNA的翻译，从而影响了节水条件下水稻的活力。

（6）在WST下，TOR通过增加氮分配和铵吸收来提高氮素利用效率

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。