(通讯员：王媛）近日，农林科学国际著名期刊Journal of Integrative Agriculture（中科院一区）在线发表了我校植物抗逆与分子育种团队程明星博士联合武汉大学杂交水稻全国重点实验室李绍清教授团队合作完成的题为“A Caseinolytic proteases ATPase family gene OsClpI3 contributes to thermotolerance in rice”的研究论文。该研究发现，OsClpI3在高温条件下显著上调表达，并在水稻苗期和抽穗期正向调控耐热性。整合转录组学与代谢组学分析表明，OsClpI3通过缓解高温引起的光合电子传递损伤，从而维持光合活性，进而增强水稻的耐热能力。

该研究利用CRISPR-Cas9系统在中花11（ZH11）背景下构建了两个OsClpI3基因敲除突变体，分别命名为OsClpI3-KO1和OsClpI3-KO2（图1）。OsClpI3蛋白包含两个Clp_N结构域、两个AAA（AAA-ATPase）结构域以及一个ClpB结构域，并具有ATPase活性。两种敲除突变体均缺失了一个AAA结构域和一个ClpB结构域，导致在正常条件和热胁迫条件下ATPase活性显著降低，且在热胁迫下活性下降更为明显。表型分析结果表明，与野生型ZH11相比，OsClpI3-KO1和OsClpI3-KO2在苗期受到热胁迫后的存活率显著降低。此外，在抽穗期遭遇热胁迫时，这两个敲除品系的结实率和籽粒产量也显著下降。

图1 OsClpI3正向调节水稻的耐热性

为阐明OsClpI3调控耐热性的分子机制，对苗期热胁迫下OsClpI3敲除株系（OsClpI3-KO2）与野生型（WT，ZH11）进行转录组比较分析（图2）。共鉴定出2,892个差异表达基因，其中上调1,883个，下调1,009个。GSEA和KEGG分析均显著富集光合作用通路，尤其光合电子传递相关基因。在正常条件下，29个相关基因在敲除株中表达变化不一；而在热胁迫下，所有基因较WT均显著下调。表明OsClpI3可能通过调控热胁迫下光合电子传递基因表达，增强水稻耐热性。

图2 OsClpI3参与光合电子转移相关基因的调节

为探究OsClpI3是否通过调控光合电子传递增强水稻耐热性，对热胁迫下OsClpI3-KO2与野生型（WT）幼苗进行代谢组学分析（图3）。共检测到706种代谢物，其中372种在OsClpI3-KO2株系中上调、334种下调，包括多种光合相关糖代谢物。24种糖代谢物差异显著，其中13种上调、11种下调。变化最显著的5种代谢物中，3-磷酸甘油酸（3-PGA）作为Rubisco碳固定关键中间体，在OsClpI3-KO2株系中显著积累，暗示光合电子传递受阻，限制了3-PGA的还原。进一步光合分析显示，热胁迫下KO2株系在高CO₂条件下的净光合速率、最大电子传递速率均显著低于WT，而正常条件下差异较小。综上，OsClpI3通过缓解热胁迫引起的光合电子传递损伤，增强水稻耐热性。

图3 OsClpI3增强热胁迫下水稻的光合电子传递和净光合速率

转录组、代谢组与光合效率联合分析表明，OsClpI3可有效缓解热胁迫引起的光合电子传递损伤，维持ATP和NADPH的正常生成，从而保护光合效率并增强水稻耐热性。相反，OsClpI3缺失导致热胁迫下光合电子传递相关基因表达显著下调，抑制ATP和NADPH合成，阻碍碳固定中间体3-PGA的还原，造成3-PGA大量积累，最终使光合效率与耐热性显著下降（图4）。

图4 OsClpI3介导的水稻耐热性调节工作模型

武汉生物工程学院为论文第一署名单位，生命科学与技术学院程明星博士为论文第一通讯作者，武汉大学杂交水稻全国重点实验室李绍清教授和范峰峰博士为论文共同通讯作者，范峰峰博士、杨子涵硕士生和袁焕然副研究员为论文共同第一作者，武汉生物工程学院徐飞教授和吕凯副教授参于了该项研究。

该研究得到国家自然科学基金（32401801）、武汉生物工程学院高层次人才科研启动基金（2024KQ07）、杂交水稻全国重点实验室（武汉大学）开放课题基金（KF202502）和湖北省教育厅科学技术研究项目（B2024293）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095311926001024