朱健康院士PLOS植物耐低温研究成果

5月3日，国际著名遗传学期刊《PLOS Genetics》在线刊登了来自吉林大学、美国康奈尔大学、云南烟草农科院和中科院上海生命科学研究院等处的最新研究成果。中科院上海生命科学研究院的朱健康院士、康奈尔大学和南京农业大学的华健博士是本文共同通讯作者。

　　

生物通报道：5月3日，国际著名遗传学期刊《PLOS Genetics》在线刊登了来自吉林大学、美国康奈尔大学、云南烟草农科院和中科院上海生命科学研究院等处的最新研究成果，题为“Chloroplast RNA-Binding Protein RBD1 Promotes Chilling Tolerance through 23S rRNA Processing in Arabidopsis”。中科院上海生命科学研究院的朱健康院士、康奈尔大学和南京农业大学的华健博士是本文共同通讯作者。在今年早些时候，朱健康院士还相继发表了一系列重要研究成果，相关阅读：朱健康院士PLOS最新研究成果；朱健康教授发表PNAS转基因研究新成果；朱健康院士：开发新型多路复用CRISPR/Cas9平台。

通常，低温可抑制植物生长，限制植物的地理分布。早期的研究发现了许多与低温（0°C以上）或冰冻（0°C以下）相关的生理和细胞变化，如膜成分、钙信号、代谢物组成、光合作用和保护性分子的变化。据认为，大多数这些变化有助于植物应对低温胁迫。植物容忍低温胁迫的能力有所不同。低温常常抑制光合作用，并减少碳吸收和分配，以发展库组织。许多热带和亚热带植物（包括玉米、大米和西红柿）在4°C条件下不能生存，因为它们在这个条件下不能进行光合作用和碳代谢。拟南芥以及一些过冬谷物，可以生长在较低温度下，由于其生化和生理适应性，可能包括光合代谢的驯化。

在叶绿体中的翻译似乎对低温胁迫特别敏感。在番茄中，低温可通过诱发频繁的核糖体暂停，减慢色素体中的蛋白质生物合成。另外，可耐受低温的拟南芥植物，当它们在叶绿体核糖体生物起源和RNA加工出现缺陷，就会对低温变得敏感。例如，翻译延长因子SVR3、rRNA成熟因子NUS1和叶绿体RNA结合蛋白CP29A、CP31A的缺失，都会通过影响叶绿体生物起源而增加低温敏感性。此外，叶绿体核糖体亚基的损失，可降低植物从低温时间延长得以恢复的能力。

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叶绿体的功能是通过主要由叶绿体基因组编码的基因进行的。这些基因的转录依赖两个质体RNA聚合酶：细胞核编码的RNA聚合酶(NEP)，和细胞质编码的RNA聚合酶(PEP)。叶绿体RNAs需要加工才能成为功能性的rRNAs和mRNA。用于RNA裂解、拼接、编辑或稳定的很多RNA加工因子，是RNA结合蛋白。它们都是由核基因编码的。一个家族有三角状五肽重复(PPR)，它在叶绿体中通常执行特定的RNA加工。另一个家族包含RNA识别基序/ RNA结合域/核糖核蛋白(RRM / RBD / RNP)域和这些蛋白质，称为RNP，被认为可调节更多的RNA。在叶绿体RNPs中，CP31A和CP29A与大量的叶绿体转录本相关，并影响其稳定性、加工和拼接。

虽然低温耐受机制还不是很清楚，但是低温驯化——通过提前暴露于低温条件而增强耐冻性，已经在拟南芥中进行了充分的研究。在某种程度上，低温驯化是由C重复结合因子（CBFs）介导的，其调节着大量低温响应(COR)基因的表达，其中一些被认为赋予了耐冻性。由低温引起的CBF基因上调，对于这种驯化是十分关键的，主要由ICE1、ICE2和三个相关的CAMTAs调控。尽管CBF蛋白所调控的基因，在耐冻性中发挥重要作用，但是它们只代表一小部分的COR基因。CBF对低温驯化或耐冻性的独立调控，在拟南芥中已经被发现。但是，是否耐冻性和低温驯化具有相同的机制，尚不明确。

在这项研究中，研究人员进行了全基因组突变体筛选，以寻找低温敏感表型，并确定了49个对于拟南芥耐冻性非常重要的候选基因。在由这49个基因编码的蛋白质中，有16个被注解为具有叶绿体局限，从而表明叶绿体功能在耐冻性中发挥了关键的作用。

研究人员进一步研究了RBD1，定位到叶绿体的四个RNA结合蛋白中的一个。RBD1只在绿色光合组织中表达，并被定位于叶绿体的类核。此外，研究人员发现，RBD1通过一种温度依赖性方式直接与23S rRNA前体结合，是23 s rRNA的一个调控因子。因此，这项研究在全基因组尺度上，揭示了叶绿体功能——特别是蛋白质翻译，在耐冻性中的重要性。

总之，这项研究将RBD1确定为23S rRNA加工的一个调控因子，并指出了叶绿体功能——特别是蛋白质翻译在耐冻性中的重要性。

（生物通：王英）

注：朱健康，男，国际著名植物生物学家、植物抗逆分子生物学领军科学家，美国科学院院士、美国普渡大学生物化学系和园艺及园林系杰出教授，首批“****”入选者，中科院上海植物逆境生物学研究中心主任。朱健康1988年赴美留学，2000年受聘美国亚利桑那大学植物科学系正教授，曾任加州大学河滨分校整合基因组学研究所所长。在植物抗旱、耐盐与耐低温方面做出了杰出成就，是世界植物科学领域发表论文引用率最高的科学家之一。

华健1998年获美国California Institute of Technology遗传学博士学位，1998-2001年为Whitehead Institute, MIT博士后，2001-2008年为美国康奈尔大学植物生物学系助理教授，2008年晋升为副教授，兼任康奈尔大学植物生物学领域研究生学习的主任。华健副教授早期主要从事乙烯受体基因鉴定及其信号传导途径解析方面的研究，现重点研究温度对植物生长发育以及植物抗病和防卫反应的影响分子机理。研究结果已经在Cell，Science，Genes and Development，Plant Cell，PNAS，PLoS Pathogen，Current Opinion in Plant Biology等国际顶尖学术期刊发表了一系列论文。

生物通推荐原文摘要：
Chloroplast RNA-Binding Protein RBD1 Promotes Chilling Tolerance through 23S rRNA Processing in Arabidopsis
Abstract：Plants have varying abilities to tolerate chilling (low but not freezing temperatures), and it is largely unknown how plants such as Arabidopsis thaliana achieve chilling tolerance. Here, we describe a genome-wide screen for genes important for chilling tolerance by their putative knockout mutants in Arabidopsis thaliana. Out of 11,000 T-DNA insertion mutant lines representing half of the genome, 54 lines associated with disruption of 49 genes had a drastic chilling sensitive phenotype. Sixteen of these genes encode proteins with chloroplast localization, suggesting a critical role of chloroplast function in chilling tolerance. Study of one of these proteins RBD1 with an RNA binding domain further reveals the importance of chloroplast translation in chilling tolerance. RBD1 is expressed in the green tissues and is localized in the chloroplast nucleoid. It binds directly to 23S rRNA and the binding is stronger under chilling than at normal growth temperatures. The rbd1 mutants are defective in generating mature 23S rRNAs and deficient in chloroplast protein synthesis especially under chilling conditions. Together, our study identifies RBD1 as a regulator of 23S rRNA processing and reveals the importance of chloroplast function especially protein translation in chilling tolerance.