湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧作所合作完成的水稻孕穗期耐冷基因克隆與進(jìn)化研究取得新進(jìn)展

　　近日，湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧作所與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作完成的水稻孕穗期耐冷基因克隆與進(jìn)化研究取得新進(jìn)展，該研究成果文章《Stepwise selection of natural variations at CTB2 and CTB4a improves cold adaptation during domestication of japonica rice》在《New phytologist》（IF：8.51）上全文在線發(fā)表（全文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17407）。該研究克隆了一個(gè)新的水稻孕穗期耐冷基因CTB2，對(duì)CTB2和CTB4a自然變異的逐步選擇提高了粳稻的冷適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)耐冷粳稻起源于云南昆明地區(qū)，并提出了耐冷粳稻在國(guó)內(nèi)外的傳播路經(jīng)，云南—日本—中國(guó)東北地區(qū)和朝鮮半島等。

 

　　水稻是一種起源于熱帶或亞熱帶的冷敏感作物，在孕穗期遭遇低溫會(huì)導(dǎo)致水稻不能正常發(fā)育而嚴(yán)重減產(chǎn)。該研究利用耐冷近等基因系構(gòu)建分離群體，在連鎖定位的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用54份粳稻和67份秈稻種質(zhì)資源的孕穗期耐冷表型進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘到一個(gè)新的耐冷基因CTB2。CTB2編碼一個(gè)葡糖基轉(zhuǎn)移酶，在絨氈層、花粉粒和花藥中高表達(dá)。在低溫脅迫下，CTB2通過影響甾醇糖苷和乙?；薮继擒盏暮?，進(jìn)而維持細(xì)胞膜的滲透性，保護(hù)花粉粒及花粉外壁結(jié)構(gòu)，最終提高水稻的耐冷性。

 

　　CTB4a是該團(tuán)隊(duì)之前克隆的重要的水稻孕穗期耐冷基因（Zhang et al.,2017），本研究分析發(fā)現(xiàn)野生稻中不含有CTB4a的功能變異，其耐冷等位基因是在冷環(huán)境下馴化出的新變異，主要分布在高海拔和高緯度區(qū)域；而CTB2存在4種單倍型，其中一種優(yōu)勢(shì)單倍型SNP（A）表現(xiàn)強(qiáng)耐冷性，該單倍型起源于中國(guó)普通野生稻，在粳稻的冷適應(yīng)馴化過程中受到了明顯的人工選擇，逐步擴(kuò)散到高緯度地區(qū)，最后與當(dāng)?shù)匦庐a(chǎn)生的CTB4a變異一起增強(qiáng)水稻的耐冷性。使得水稻的種植區(qū)域從低海拔延擴(kuò)到高海拔地區(qū)，最終擴(kuò)展到高緯度的中國(guó)東北地區(qū)，對(duì)寒地水稻發(fā)展起到了重要作用。

 

　　該研究發(fā)現(xiàn)在粳稻馴化的過程中，通過對(duì)現(xiàn)存變異和新變異的逐步選擇可以提高其耐冷性。該研究不僅為水稻耐冷育種提供了重要的基因資源，也為植物適應(yīng)性進(jìn)化提供了另一個(gè)理論實(shí)例。這一研究結(jié)果對(duì)有效保障水稻遭遇低溫或寒地種植條件下高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性、促進(jìn)水稻進(jìn)一步向高海拔高緯度地區(qū)種植發(fā)展、解決我國(guó)對(duì)稻米日益增長(zhǎng)的需求有重要意義。

 

　　本文通訊作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李自超教授和李金杰副教授，第一作者為李繼龍博士，我院糧作所周雷博士為共同第一作者，糧作所為參與完成單位。