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Cell Reports： 水稻不怕冷的秘诀被揭示

发布时间： 2021-07-23

原标题：《中科院植物所种康院士团队揭示水稻不怕冷的秘诀 | Cell Press对话科学家》

2021年7月20日，中国科学院植物研究所种康院士、张景昱研究员团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports上发表了题为“Integrated global analysis reveals a vitamin E-vitamin K1 sub-network, downstream of COLD1, underlying rice chilling tolerance divergence”的论文。该研究通过多组学分析，证明了维生素E-维生素K1亚网络作为COLD1下游通路，是决定籼粳稻低温耐受性差异的核心调控点，这为水稻耐寒分子育种奠定了基础。

温度是影响水稻品种形成和地域分布的主要环境因子。亚洲栽培稻主要分为粳稻和籼稻，粳稻低温耐受性较强，主要分布于我国北部和东北部，而籼稻低温耐受性较弱，主要分布于我国华南和淮河以南的热带/亚热带地区。目前对籼、粳稻低温耐受性差异的分子基础已有一定了解，低温感受器编码基因COLD1在籼粳稻之间有明显差异，COLD1中单个核苷酸变化就明显改变水稻的耐寒性（Cell，2015）。低温感受器下游信号通路众多，究竟哪些调控途径在籼粳稻耐寒性差异形成中发挥关键作用尚不清楚。 

种康院士团队继发现水稻低温感受器COLD1之后，致力于解析其下游调控途径。他们通过多组学分析发现维生素E-维生素K1亚网络为COLD1下游通路，是决定籼粳稻低温耐受性差异的核心调控点。

他们以粳稻日本晴为供体的籼稻93-11单片段代换系为入手点，选取低温耐受性提升至近粳稻水平的代换系进行研究，基因组序列分析发现其代换片段包含COLD1基因；通过转录组分析此代换系及亲本的低温应答网络，发现代换系与日本晴中变化规律相似的通路集中于泛醌/萜醌代谢网络（包括维生素合成途径），表明代换系低温耐受性增强与此网络密切相关；进而通过代谢组分析聚焦到叶绿体中维生素E和维生素K1代谢途径；进一步开展转录/代谢双组学相关性网络分析，结果表明维生素E-维生素K1亚网络是代换系低温耐受性提升的核心调控点。此亚网络的关键基因表达量及代谢物含量在突变体cold1-1中下降，而在超表达材料中明显上升，表明其确实受COLD1调控。他们通过多组学分析鉴定维生素E-维生素K1亚网络为COLD1下游调控通路，其低温应答模式的转换是籼粳稻低温耐受性差异形成的分子基础，为水稻耐寒分子育种奠定理论基础并提供可操作的靶点和耐低温材料。   

中科院植物所罗伟博士和中科院遗传发育所钱文峰课题组郇庆副研究员为论文第一作者，植物所张景昱研究员和种康院士为通讯作者。相关工作得到中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金的资助。

粳、籼稻不同耐寒性调控途径示意图：

COLD1下游的维生素E-维生素K1亚网络低温应答模式的转换是粳、籼稻耐寒性强、弱的分子基础。金黄色字体和蓝色背景分别表示粳、籼低温应答模式切换的关键基因和代谢物。