生命學院方曉峰課題組揭示相分離和相變介導熱脅迫下光合作用效率下降的機制
清華新聞網3月25日電 全球氣候變暖導致的高溫環境嚴重威脅農作物產量，熱脅迫能夠通過抑制光合作用效率阻礙植物生長并降低作物產量，然而其分子機制尚未完全闡明。與此同時，在高等植物線粒體和葉綠體中存在大量的編輯位點，異常的RNA編輯可導致植物發育缺陷和非生物脅迫響應失調。RNA編輯對葉綠體中光合作用相關基因的調控至關重要，而熱脅迫則顯著抑制這一過程。熱脅迫是如何調控RNA編輯過程的？熱脅迫對光合作用的影響是否能夠通過對RNA編輯過程的調控來實現？
對此，3月21日，清華大學生命學院方曉峰課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了題為“擬南芥中的MORF8蛋白響應熱脅迫形成固態凝聚體抑制RNA編輯”（Solid-like condensation of MORF8 inhibitsRNA editing under heat stress in Arabidopsis）的研究論文。研究提出葉綠體定位的MORF8蛋白能夠在熱脅迫下形成固態凝聚體，并招募特定的RNA編輯因子PPR蛋白進入凝聚體中以減弱PPR蛋白與其靶向RNA的結合能力，從而降低葉綠體中對應RNA位點的編輯效率，最終導致光合膜蛋白復合體（如NDH-PSI）活性受損，光合作用效率下降。
研究人員發現，RNA編輯因子MORF8能夠特異性地響應熱脅迫發生相分離，在煙草和擬南芥中的一系列實驗都證實了MORF8的凝聚體是固態的，并且能夠通過離心分離獲得凝聚體組分（圖1）。
圖1.MORF8蛋白響應熱脅迫形成固態凝聚體
研究人員發現，MORF8凝聚體能夠招募其他關鍵的RNA編輯因子，包括同屬于MORF蛋白家族的MORF2和MORF9，以及能夠識別并結合靶標編輯位點上游特異性序列的PPR蛋白。體外結合實驗表明，進入凝聚體的PPR蛋白與靶標RNA的結合能力顯著降低，這表明MORF8的聚集是不利于有活性的編輯體組裝的（圖2）。
圖2.MORF8蛋白凝聚體特異性招募PPR蛋白并抑制其RNA結合能力
進一步研究發現，擬南芥在熱處理與恢復過程中，葉綠體MORF8凝聚體的數量與ndhD-2位點的編輯效率呈明顯的負相關關系。研究人員通過對一系列體內實驗和光合作用相關參數的比較分析，建立了MORF8蛋白的相變與光合作用調控機制的耦合關系（圖3）。
圖3.MORF8蛋白凝聚體的數目和ndhD-2編輯效率的相關性
最后，研究人員還選取了兩種重要作物，水稻和大豆的MORF8同源蛋白進行保守性分析，發現OsMORF8和GmMORF8在熱脅迫下同樣形成IDR依賴的凝聚體，表明該機制在作物乃至整個被子植物類群中廣泛存在。
綜上所述，研究人員首次揭示了蛋白質固態凝聚直接參與植物熱脅迫響應，拓展了相分離在植物系統中的功能認知。此外，闡明MORF8通過“隔離-抑制”機制調控RNA編輯的范式，為逆境應答研究提供了新視角。在被子植物中的保守性分析為MORF8及其同源蛋白作為作物耐熱性分子育種的靶點，設計抗逆穩產作物提供了理論依據。
清華大學生命學院副教授方曉峰為論文通訊作者，生命學院博士后吳婕為論文第一作者。中國科學院植物研究所教授楊文強和王月博士、清華大學生命學院研究員陳浩東和福建農林大學教授徐通達給予了幫助和寶貴建議。研究得到國家自然科學基金、中國科技部重點研發計劃的資助。
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