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秈米(indica)與粳米(japonica)有不同的耐熱基因

 

不同突變株稻米的耐熱實驗。圖片來源:Nature Communications

東亞的稻米分為秈米(O. sativa subsp. indica)與粳米(O. sativa subsp. japonica)兩大品種/品系。一般來說是南秈北粳,大約以長江為界。台灣日治時代以前也以栽培秈稻(在來米)為主,但在日治時代時受到日人影響,目前以粳稻為主。

過去的研究知道秈稻比粳稻要耐熱,這也是為什麼南方以栽培秈稻為主;也有一些研究發現粳稻有耐冷基因。最近的研究發現,稻米中的SLG1(slender guy 1)基因與耐熱性有關。

SLG1有什麼功能呢?這個基因負責將tRNA (transfer RNA,轉運RNA,在轉譯作用中負責將胺基酸運送到正在合成的肽鏈上)的第二個反密碼修飾,而且只負責修飾U。也就是說,如離胺酸的基因密碼是AAA,在tRNA上就是UUU,而第二個U就會被SLG1蛋白給修飾。

過去在酵母菌、線蟲以及人類都看到,如果tRNA的第二個反密碼修飾(稱為tRNA 2-thiolation,tRNA的硫化)出問題,會影響到生物的耐熱性,甚至會造成疾病。在酵母菌的tRNA的第二個反密碼修飾出問題,會使酵母菌出芽能力和繁殖速度都出問題;在線蟲的tRNA的第二個反密碼修飾出問題,會使線蟲變得對溫度敏感。

在稻米呢?slg1突變株的米粒變長、植株變得細長、根系出現缺失。對照酵母菌與線蟲的研究,研究團隊決定看看slg1突變株的耐熱性是否有問題。

結果發現,slg1突變株在攝氏45度下處理44小時後,有84%都死了,但野生種有九成存活;而過度表現SLG1的稻米則高溫處理後存活率高於野生種。

由於SLG1基因產生的蛋白質必須要跟另一個蛋白質(稱為CTU1)組成複合體後,才能去修飾tRNA的第二個反密碼,於是研究團隊找到了稻米的CTU1(稱為RCTU1),並進一步觀察這個基因產生缺失是否也有耐熱的問題。

結果發現,少了RCTU1的稻米,在高溫處理後只有36.5%存活;若少了RCTU1SLG1,則在高溫處理後只有5%存活。少了SLG1的稻米其存活率介於這兩者之間。

偵測這些植株中tRNA修飾(硫化)的含量也發現,少了SLG1基因的稻米,其tRNA修飾的程度比野生種要少得多。

研究團隊分析秈稻與粳稻的SLG1基因,發現秈稻與粳稻的SLG1基因不論在啟動子(promoter)或蛋白質序列區域(coding region)都有些微的不同;而帶有秈稻的SLG1基因版本的稻米,耐熱性比帶有粳稻的SLG1基因版本的稻米要好。

總而言之,研究團隊發現了這個與修飾tRNA有關的基因:SLG1SLG1與稻米的耐熱性有關,而秈稻與粳稻的SLG1版本有不同,表現秈稻版本的SLG1的稻米比較耐熱。在氣候變遷、全球暖化的此時此刻,未來或許能考慮以基因編輯的方式修改粳稻中的SLG1,進一步使得粳稻的耐熱性也變好。

參考文獻:

Yufang Xu et. al., Natural variations of SLG1 confer high-temperature tolerance in indica rice. Nature Communications volume 11, Article number: 5441 (2020)

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