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RCTU1與SLG1，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：SLG1。SLG1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)