南京农大万建民院士团队揭示QSOXL1调控水稻种子休眠

摘要：近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了南京农业大学万建民院士和江玲教授团队题为“Quiescin Sulfhydryl Oxidase-Like 1Positively Regulates Seed Dormancy in Ri

近日， Plant Biotechnology Journal在线发表了南京农业大学万建民院士和江玲教授团队题为“Quiescin Sulfhydryl Oxidase-Like 1Positively Regulates Seed Dormancy in Rice”的研究论文。该研究介绍了静息巯基氧化酶QSOXL1的自然变异影响其酶活，最终导致了水稻种子休眠的差异，为水稻抗穗发芽育种提供了理论基础和基因资源。

随着全球变暖不断加剧，极端天气事件的发生频率也在不断上升，给水稻生产和粮食安全带来了巨大的挑战。在收获期，水稻种子易受高温高湿的环境影响，发生穗发芽，造成产量和品质的损失。提高种子休眠性是预防穗发芽最简便有效的方式，因此水稻种子休眠基因的克隆和研究对抗穗发芽育种具有重要意义。

野生稻通常具有极强的休眠性，然而历经长期的驯化选择，现代栽培水稻品种的休眠性较野生稻大幅下降。这意味着存在大量的优异自然变异存在于自然群体中，但目前通过自然群体成功克隆的休眠基因却屈指可数。该研究利用以强休眠品种aus稻N22为供体，弱休眠粳稻品种南粳35为受体构建的高代回交群体，成功将种子休眠调控QTL qSdn5定位于5号染色体约50kb的区间内。并通过转基因材料，敲除、过表达和互补家系的表型证明，qSdn5的目标基因QSOXL1是一个休眠正调控因子（图1）。

图1 QSOXL1促进水稻种子休眠

利用RUBY报告基因结合qRT-PCR分析，发现QSOXL1在水稻植株中呈组成型表达，在叶片、穗部和种子中表达水平较高。种子发育过程中QSOXL1的转录水平逐渐增加，提示其可能参与种子成熟过程中休眠的形成。亚细胞定位表明，水稻中QSOXL1定位于高尔基体。

QSOXL1编码一个静息巯基氧化酶，可以将底物蛋白半胱氨酸残基的巯基氧化形成二硫键。半胱氨酸侧链氧化形成二硫键是蛋白质折叠过程中的基本事件，二硫键可增强蛋白质稳定性并调节氧化还原依赖性功能。通过体外表达和纯化QSOXL1蛋白，利用连续荧光测定法测定QSOXL1N22和QSOXL1NJ35的酶活，发现QSOXL1N22具有更高的酶活。第353位的赖氨酸(N22)到谷氨酸(NJ35)间的氨基酸替换显著改变了QSOXL1的酶活，并导致细胞内活性氧水平的变化。将N22和NJ35的QSOXL1编码序列分别在NJ35背景中进行过表达，过表达QSOXL1N22的转基因家系表现出更强的休眠性，表明氨基酸的差异改变了QSOXL1的酶活性，进而影响细胞的氧化还原状态和种子休眠性（图2）。qsoxl1敲除突变体和野生型N22的种子被用于转录组测序和分析，差异基因的KEGG富集分析表明，内质网(ER)中参与蛋白质加工的基因显著富集。这表明位于高尔基体的QSOXL1在蛋白质加工的过程中起重要作用。

图2 氨基酸的差异改变了QSOXL1的酶活

通过酵母双杂交筛库，筛选到QSOXL1的互作蛋白，COP9信号复合体亚基CSN5，随后通过荧光素酶互补(LCI)、蛋白质体外结合实验(Pull-down)和蛋白质免疫共沉淀(Co-IP)等实验进行了验证。CSN5是一个重要的细胞调节因子，在拟南芥中CSN5通过调节RGL2和ABI5的蛋白水平来调控种子的萌发。本研究也通过体外降解实验证明了CSN5可以促进QSOXL1的降解（图3）。CSN5过表达家系的新鲜种子中ABI5和SLR1的蛋白丰度相较野生型大幅下降，表明CSN5通过促进水稻中QSOXL1、ABI5和SLR1在内的萌发抑制剂的降解，最终促进种子萌发。

图3 CSN5通过促进QSOXL1等萌发抑制剂的降解，最终促进种子萌发

核苷酸多样性分析表明，QSOXL1位点在人工驯化和育种选择的过程中经历了人工选择。在多个粳稻栽培品种中过表达QSOXL1优异单倍型Hap5显著增强了种子休眠表型，表明来自aus亚群水稻的QSOXL1优异单倍型Hap5能够有效提高水稻种子的休眠性。

该研究精细定位并通过转基因材料表型证实qSdn5的目标基因是QSOXL1，并发现N22与NJ35在QSOXL1蛋白序列中K353E的替换显著改变了酶活。并进一步影响了细胞ROS水平，最终导致了种子休眠的差异。与QSOXL1直接互作的CSN5能够通过促进萌发抑制因子QSOXL1、ABI5和SLR1的降解，最终促进萌发（图4）。