2023年7月24日，云南大学生命科学中心刘军钟课题组、中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华课题组和中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风课题组联合在学术期刊 Nature Communications（IF=16.6）在线发表了题为“The OsSGS3-tasiRNA-OsARF3 module orchestrates abiotic-biotic stress response trade-off in rice”的研究论文，报道了OsSGS3-tasiRNA-OsARF3模块平衡水稻耐热性和抗病性的机制。突出了植物非生物与生物胁迫反应权衡的新调节机制，加深了我们对植物逆境响应机制的理解，并且为作物的高产多抗性状改良提供了新的思路与技术途径。安诺优达为该项目提供Small RNA-seq及RNA-seq测序服务。
01 研究背景
水稻是世界上主要的粮食作物之一，世界上有半数以上的人口以稻米为主食，其稳产高产对保障全球粮食安全有重要意义。在生产栽培过程中，水稻经常会受到各种生物及非生物胁迫的危害。其中，由全球气候变化带来的频繁高温和病原菌入侵对水稻的产量与品质造成了严重威胁。培育具有双重（生物及非生物）胁迫耐受性的作物是在不断变化的气候条件下保障粮食产量的有效方法。非生物胁迫反应与生物（病原体）防御之间的拮抗作用，这种多抗性育种策略一直是植物育种家面临的一大挑战。由于对植物生物与非生物胁迫耐受性结合的研究较少，导致人们对植物生物和非生物胁迫响应权衡调节的理解仍相当有限。
02 研究结果
OsSGS3a与OsSGS3b相互作用，在水稻生长发育中发挥重要作用
研究人员通过酵母双杂、荧光素酶互补和免疫共沉淀试验证实了OsSGS3a与OsSGS3b相互作用。并发现OsSGS3a可以形成同型二聚体，而OsSGS3b不可以，表明这种OsSGS3a形成的同型二聚体或异源二聚体可能在植物siRNA生物合成中发挥作用。
OsSGS3a在tasiRNA的产生中起重要作用
研究人员通过Small RNA-seq发现野生型和ossgs3a-1突变体的小分子RNA大小分布特征相似，而在ossgs3a-1突变体的叶片和小花中几乎检测不到来自OsSGS3s的tasiRNA。并通过小RNA凝胶印迹技术证实tasiR-ARFs的积累，发现tasiR-ARFs信号在ossgs3a-1突变体中显著减少，但在互补材料中恢复，这些结果表明OsSGS3a在水稻tasiRNA产生中起重要作用。由于tasiR-ARFs靶向OsARF3la/OsARF14 (LOC_Os05g43920)、OsARF3lb (LOC_Os01g54990)、OsARF3a/OsARF2 (LOC_Os01g48060) 和OsARF3b/OsARF15 (LOC_Os05g48870)，观察到减少的tasiR-ARFs确实抑制了ossgs3a-1突变体中OsARF3s的表达。同样，在OsSGS3 RNAi植物中，tasiR-ARFs的生物发生随着OsARF3s的上调而显著受损。tasiR-ARFs积累的减少导致古植物中OsARF3s的显著上调。综上所述，这些结果表明OsSGS3a是水稻tasiR-ARF生物发生的关键调节因子。
OsSGS3a/b正调控水稻的耐热性，OsSGS3a负调控水稻抗病性
为了阐明OsSGS3a/b在植物耐热性和免疫中的作用，对其突变体和过表达株系的耐热性和抗病性进行评估。热应激后，与野生型相比，ossgs3a和ossgs3b突变体的存活率降低，表现出热敏表型，OsSGS3a和OsSGS3b过表达植株的存活率提高，表现出耐热表型，这表明OsSGS3a和OsSGS3b在植物耐热性中发挥正调节作用。真菌病原体稻瘟病菌（M. oryzae）处理后，与野生型相比，ossgs3a突变体抗性增强，ossgs3b突变体没有明显变化。细菌病原体米黄单胞菌（Xoo）处理后，与野生型相比，OsSGS3a或OsSGS3b过表达植株显著增加了疾病严重程度，而ossgs3b突变体没有出现疾病变化，这表明OsSGS3a可能在水稻免疫中发挥负调节作用。综合这些结果，表明OsSGS3a/b正调控水稻的耐热性，OsSGS3a负调控水稻抗病性。
OsARF3a/3b/la/lb调控水稻抗病性和耐热性，可能是通过ROS稳态调控的
为了阐明OsARF3s在植物耐热性和免疫中的作用，对osarf3ab和osarf3lalb突变体的耐热性和抗病性进行评估。与野生型相比，osarf3ab和osarf3lalb突变体的耐热性增强，H2O2积累减少，表明OsARF3a/b/la/lb负调控水稻苗期的耐热性。与野生型相比，osarf3ab和osarf3lalb突变体均表现出对细菌病原体米黄单胞菌（Xoo）和真菌病原体稻瘟病菌（M. oryzae）的敏感性增加。综上所述，这些结果表明OsARF3a/b/la/lb调控水稻的抗病性和耐热性。为了确定OsARF3a/b/la/lb介导的耐热性的机制，研究人员对野生型、osarf3ab和osarf3lalb突变体进行了转录组测序，在OsSGS3a调节的ROS相关基因中，鉴定了一个ROS清除相关基因OsCATA。与野生型相比，热应激后，该基因在osarf3ab和osarf3lalb突变体中积累的水平更高。这些结果表明OsARF3a/b/la/lb在抑制OsCATA表达方面具有潜在作用。
03 研究总结
本研究鉴定了一种水稻热敏突变体，该突变体在高温下表现出小花发育缺陷，是由于基因沉默抑制因子3a（OsSGS3a）发生突变。OsSGS3a与其同源物OsSGS3b相互作用，并调节靶向AUXIN反应因子（ARFs）的反式作用小干扰RNA（tasiRNA）的生物发生。研究人员通过安诺优达提供的Small RNA-seq和RNA-seq测序服务，发现OsSGS3a介导反式作用siRNA中的tasiR-ARF的生物合成，进而负调控其靶基因OsARF3的表达。发现OsSGS3a依赖性tasiRNA-OsARF3s是负责耐热性和免疫之间权衡的关键模块，其负向调节对细菌病原体米黄单胞菌（Xoo）和真菌病原体稻瘟病菌（M.oryzae）的抗病性，正向调节水稻的耐热性。总的来说，本研究揭示了一种以前未知的权衡机制，该机制通过OsSGS3-tasiRNA-OsARF3模块正调控耐热性且负调控植物免疫，从而平衡水稻的生物胁迫响应和高温应答的分子机制。
04 参考文献
Gu, X., Si, F., Feng, Z. et al., The OsSGS3-tasiRNA-OsARF3 module orchestrates abiotic-biotic stress response trade-off in rice.Nature communications. 2023, 14(1): 4441. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40176-2