1月25日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李金杰/李自超教授團隊在Nature Communications期刊在線發(fā)表了一篇題為“Natural variation of CTB5 confers cold adaptation in plateau japonica rice”的研究論文（https://doi.org/10.1038/s41467-025-56174-5）。該研究揭示了CTB5調(diào)控水稻孕穗期和苗期耐冷性的分子機制，并闡明了其在促進云南高原粳稻冷適應(yīng)性馴化過程中的重要作用。

水稻起源于熱帶和亞熱帶地區(qū)，在其整個生長發(fā)育時期對低溫冷害表現(xiàn)出顯著敏感性。其中，孕穗期低溫冷害會干擾幼穗分化和小孢子發(fā)育，導(dǎo)致花粉敗育和結(jié)實率下降，從而直接影響稻谷的產(chǎn)量和品質(zhì)。迄今為止，水稻孕穗期耐冷基因資源較為有限，對于孕穗期耐冷性的分子機制了解甚少。因此，克隆水稻孕穗期耐冷基因并解析其分子機制，具有重要理論意義和應(yīng)用價值。

云南高原粳稻區(qū)是中國少數(shù)特殊的稻作區(qū)之一，約60%的粳稻常年種植在海拔1500-2700米的高原地帶。這一獨特的地理生態(tài)環(huán)境經(jīng)過長期的自然選擇與人工選育，孕育了豐富的高原粳稻種質(zhì)資源。這些種質(zhì)展現(xiàn)出顯著的冷適應(yīng)能力，為水稻耐冷遺傳研究和品種改良提供了寶貴材料。然而，高原粳稻適應(yīng)低溫脅迫的遺傳基礎(chǔ)和分子機制尚不明確。

在前期研究中，該團隊利用云南耐冷高原粳稻昆明小白谷和冷敏感粳稻Towada構(gòu)建的遺傳分離群體，發(fā)掘出一個穩(wěn)定的孕穗期耐冷位點qCTB7。本研究經(jīng)過精細定位與候選基因分析，將該位點縮小至35kb區(qū)間，確定HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子OsHox14是qCTB7最可能的候選基因，命名為CTB5（Cold Tolerance at the Booting stage 5）。通過遺傳互補、過表達、RNAi以及基因敲除等轉(zhuǎn)基因功能驗證實驗，證實了CTB5能夠正向調(diào)控水稻孕穗期耐冷性。

圖1. CTB5正調(diào)控水稻孕穗期耐冷性

為了解析CTB5的耐冷分子機制，通過酵母文庫篩選鑒定了CTB5的一個互作蛋白OsHox12。實驗結(jié)果顯示，CTB5能夠與OsHox12在細胞核內(nèi)相互作用，并協(xié)同調(diào)控水稻孕穗期耐冷性。轉(zhuǎn)錄組測序和激素外施實驗顯示，在低溫條件下，CTB5主要參與調(diào)控赤霉素代謝通路，外施赤霉素能夠提高水稻在低溫下的結(jié)實率。進一步的分子實驗揭示了CTB5具有雙重轉(zhuǎn)錄因子功能，抑制赤霉素降解基因OsGA2ox6并促進赤霉素合成基因OsGA3ox1的表達，通過促進低溫下花藥中活性赤霉素的積累，維持絨氈層正常發(fā)育和花粉育性，從而提高水稻孕穗期耐冷性。

圖2. CTB5通過調(diào)節(jié)OsGA2ox6和OsGA3ox1調(diào)控低溫下赤霉素含量與花藥發(fā)育

除了在幼穗和花藥中表達外，CTB5也在水稻營養(yǎng)器官中表達。苗期耐冷表型評價結(jié)果表明，CTB5同樣正向調(diào)控水稻苗期耐冷性。進一步的表達與分子生理實驗表明，CTB5直接調(diào)控ABA受體基因PYL9的表達，通過增強幼苗中ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和減少活性氧積累，提高水稻苗期耐冷性。

圖3. CTB5通過調(diào)節(jié)PYL9調(diào)控水稻苗期耐冷性

為了鑒定CTB5的優(yōu)異自然變異，通過單倍型分析鑒定出昆明小白谷類型的單倍型Hap1-KM為CTB5的優(yōu)異自然變異。通過構(gòu)建單倍型網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)發(fā)生樹，發(fā)現(xiàn)Hap1-KM起源于中國南方的普通野生稻。地理分布分析表明，Towada類型的單倍型Hap2-Tow在粳稻種植區(qū)廣泛分布，而Hap1-KM主要分布于云南省的溫帶粳稻中，位于海拔1600米以上的高原地區(qū)。選擇性清除分析和中性測驗結(jié)果顯示，CTB5在溫帶粳稻中受到定向選擇，致使該亞群中核苷酸多樣性顯著降低。這些結(jié)果說明Hap1-KM起源于中國南方的普通野生稻，在粳稻的馴化與改良過程中促進了溫帶粳稻在云南高原地區(qū)的冷適應(yīng)性。

圖4. CTB5促進高原粳稻的冷適應(yīng)性馴化

為了評估CTB5在水稻生長發(fā)育調(diào)控中的作用及其育種潛力，在北京正常溫度條件和云南自然低溫條件下考察了CTB5轉(zhuǎn)基因株系及親本材料的形態(tài)性狀。結(jié)果表明，CTB5KM等位基因能夠促進水稻在自然低溫環(huán)境中的適應(yīng)性生長，通過增強孕穗期耐冷性，減少自然低溫環(huán)境下的稻谷產(chǎn)量損失。

圖5. CTB5在自然低溫環(huán)境下的育種潛力及其耐冷分子機制模型

綜上所述，本研究通過正向遺傳學(xué)途徑克隆了水稻孕穗期耐冷轉(zhuǎn)錄因子CTB5，揭示了CTB5通過不同植物激素通路分別調(diào)控水稻孕穗期和苗期耐冷性的分子機制，闡明了CTB5KM等位基因在介導(dǎo)高原粳稻冷適應(yīng)性生長與馴化過程中所發(fā)揮的重要作用。研究結(jié)果不僅深化了對高原粳稻冷適應(yīng)馴化的理解，也為耐冷育種提供了重要的基因資源。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻研究中心李金杰教授和李自超教授為論文的通訊作者，博士后郭海峰以及博士研究生高石磊為論文第一作者。云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院曾亞文研究員、袁平榮研究員、李華慧副研究員和楊加珍副研究員在云南自然低溫表型鑒定方面給與了大量支持。研究工作還得到黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬文東研究員和郭震華副研究員的大力支持。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張洪亮教授、彭友良教授、張戰(zhàn)營副教授和孫興明副教授參與了此項工作。該研究得到農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項、云南省科技廳基礎(chǔ)研究專項重點項目、國家自然科學(xué)基金面上項目和中國博士后科學(xué)基金的資助。