Schützt Reispflanzen vor Hitze, wenn diese nachts angreift

Reis (Oryza sativa L.) ist das Grundnahrungsmittel für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung. Basierend auf mathematischen Modellen wird geschätzt, dass die weltweite Getreideproduktion einen Ertragsverlust von 6–7 % pro 1 °C Anstieg der saisonalen Durchschnittstemperatur im Zusammenhang mit extremen Hitzekatastrophen erleidet.

Im vergangenen Jahrhundert stieg die tägliche Tiefsttemperatur in der Nacht stärker an als die tägliche Höchsttemperatur am Tag. Nutzpflanzen wie Reis reagieren Tag und Nacht und je nach Sorte unterschiedlich empfindlich auf Hitzestress. Es bleibt jedoch unklar, wie dieser tageszeitliche Unterschied in der Thermotoleranz bei Pflanzen entsteht.

Die zirkadiane Uhr ist ein allgegenwärtiges Kontrollsystem, das es Pflanzen ermöglicht, ihr Wachstum und ihre Entwicklung mit Tag- und Nachtsignalen zu koordinieren. Allerdings warten noch Faktoren auf ihre Entdeckung, die auf tageszeitliche Weise für einen zeitlichen Widerstand sorgen.

Chuang Yang und ein Team von der Zhejiang-Universität fanden heraus, dass zwei glycinreiche Reisproteine ​​mit RNA-Erkennungsmotiven, OsGRP3 und OsGRP162, nachts rhythmisch exprimiert und durch Hitze induziert werden, und eine solche rhythmische Induktion durch Hitzestress um Mitternacht hängt weitgehend von OsELF3 ab. 2, eine der EC-Komponenten.

Die von Prof. Jian-Xiang Liu (State Key Laboratory of Plant Environmental Resilience, College of Life Sciences, Zhejiang University) geleitete Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftsbulletin.

Um zu untersuchen, ob EC die Promotoraktivität von OsGRP3/OsGRP162 unterdrücken kann, führte das Team Effektor-Reporter-Assays durch. Die Ergebnisse belegen, dass die tägliche Induktion von OsGRP3/OsGRP162 durch Hitzestress auf die tägliche Verringerung der EC-Aktivität unter Hochtemperaturbedingungen zurückzuführen ist.

Um die biologische Funktion von OsGRP3/OsGRP162 bei der Hitzestresstoleranz in Reis zu untersuchen, generierte das Team mehrere Allele geneditierter Doppelmutanten von OsGRP3/OsGRP162 und führte phänotypische Tests sowohl im Keimlings- als auch im Fortpflanzungsstadium durch.

Die Überlebensraten und Samenbildungsraten der Doppelmutanten waren nach der Hitzestressbehandlung im Vergleich zu denen der Wildtyp-Kontrollpflanzen deutlich reduziert. Diese Ergebnisse belegen, dass OsGRP3 und OsGRP162 für die Hitzestresstoleranz von Reis erforderlich sind.

Anschließend überprüfte das Team die Thermotoleranz im Wildtyp und der Doppelmutante von OsGRP3/OsGRP162 im Fortpflanzungsstadium, als zwischen Tag und Nacht Hitzestress auftrat.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Samenbildungsrate und das Korngewicht der Doppelmutanten durch Hitzestress stärker reduziert wurden, wenn Hitzestress nachts auftrat als tagsüber. Somit sind OsGRP3/OsGRP162 an der tageszeitlichen Regulierung der Thermotoleranz in Reis beteiligt.

Um den Mechanismus der durch OsGRP3/OsGRP162 vermittelten Thermotoleranz weiter zu untersuchen, führte das Team eine RNA-Seq-Analyse durch. Bei Hitzestress zeigte die Doppelmutante von OsGRP3/OsGRP162 eine global verringerte Expression von auf Hitzestress reagierenden Genen und ein erhöhtes alternatives mRNA-Spleißen, das durch Exon-Skipping dominiert wird.

Mehrere experimentelle Ergebnisse zeigten, dass OsGRP3/OsGRP162 direkt an Ziel-mRNAs binden und durch Interaktion mit den U1/U2-Spleißosomenfaktoren am alternativen Spleißen beteiligt sind.

Insgesamt demonstrierte das Team die wichtige Rolle von OsGRP3/OsGRP162 bei der Hitzetoleranz von Reis und zeigte, dass OsGRP3/OsGRP162 die Thermotoleranz regulieren, indem es das alternative mRNA-Spleißen im Tagesverlauf steuert.

Da Pflanzenwachstum und Ertragsproduktion unter natürlichen Bedingungen Tag und Nacht ständig Umweltbelastungen ausgesetzt sind, gibt diese Studie Aufschluss darüber, wie die zirkadiane Uhr die tägliche Thermotoleranz in Pflanzen reguliert.