東北地理所創(chuàng)新性揭示水稻低溫萌發(fā)的調(diào)控機(jī)制
低溫萌發(fā)（LTG）是水稻的一個(gè)重要農(nóng)藝性狀，也是水稻直播輕簡(jiǎn)栽培的先決條件。水稻屬低溫敏感型作物，經(jīng)不同地理區(qū)域的人工選擇和栽培產(chǎn)生了秈粳兩個(gè)不同的水稻亞種，二者具有顯著不同的耐冷性。一般來說，粳稻的低溫萌發(fā)能力通常優(yōu)于秈稻，并且在先前的研究中鑒定出的大多數(shù)耐冷等位基因均來源于粳稻。然而，關(guān)于低溫萌發(fā)的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制仍不清晰。
近日，東北地理所方軍研究員團(tuán)隊(duì)關(guān)于水稻低溫萌發(fā)的最新研究成果刊發(fā)在國(guó)際綜合性期刊頂級(jí)B刊Nature Communications（IF=16.6）上。研究發(fā)現(xiàn)，E2泛素耦合酶基因OsUBC12啟動(dòng)子中轉(zhuǎn)座子的插入能夠顯著提高其轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而增強(qiáng)粳稻的低溫萌發(fā)能力，并進(jìn)一步揭示了UBC12調(diào)控水稻低溫萌發(fā)的潛在機(jī)制，為培育適合直播特性水稻品種提供了基因及種質(zhì)資源。
研究團(tuán)隊(duì)首先以染色體片段代換系（IR64背景/ Koshihikari漸滲）為試材，經(jīng)萌發(fā)測(cè)試、群體構(gòu)建及定位發(fā)現(xiàn)，與秈稻IR64相比，粳稻Koshihihikari背景中E2泛素耦合酶基因OsUBC12啟動(dòng)子中插入了一個(gè)轉(zhuǎn)座子基因（約6kb）。進(jìn)一步分析表明，OsUBC12啟動(dòng)子中轉(zhuǎn)座子的插入能夠顯著提高OsUBC12的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而促進(jìn)水稻的低溫萌發(fā)（圖1）。OsUBC12的自然變異分析表明，該轉(zhuǎn)座子的插入主要發(fā)生在粳稻亞種中，并已應(yīng)用到秈粳雜交育種（圖2）。分子和生化分析表明，OsUBC12能夠招募OsSnRK1.1，并在體內(nèi)和體外促進(jìn)OsSnRK1.1的降解（圖3），進(jìn)而促進(jìn)水稻的低溫萌發(fā)。
圖1 OsUBC12啟動(dòng)子中轉(zhuǎn)座子的插入促進(jìn)低溫萌發(fā)
圖2 OsUBC12在水稻中的自然變異及其潛在應(yīng)用
圖3 OsUBC12促進(jìn)OsSnRK1.1的降解
基于以上結(jié)果，該研究提出了OsUBC12參與調(diào)控水稻低溫萌發(fā)的工作模型（圖4）：OsSnRK1.1作為下游的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，通過上調(diào)ABA信號(hào)抑制低溫萌發(fā)。OsUBC12主要催化K48-多聚泛素化修飾，能夠招募OsSnRK1.1并促進(jìn)OsSnRK1.1的降解。與秈稻相比，粳稻OsUBC12啟動(dòng)子中轉(zhuǎn)座子的插入顯著激活OsUBC12的表達(dá)。而豐度提高的OsUBC12蛋白進(jìn)一步促進(jìn)OsSnRK1.1的降解，從而削弱OsSnRK1.1調(diào)節(jié)的ABA信號(hào)傳導(dǎo)，增強(qiáng)粳稻的低溫萌發(fā)能力。
圖4 OsUBC12參與調(diào)控水稻低溫萌發(fā)的工作模型
黑土地保護(hù)與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）、東北地理所特別研究助理張傳忠為論文的第一作者，方軍研究員為通訊作者。東北地理所田曉杰副研究員和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所汪鴻儒研究員為該研究提供了重要幫助。東北地理所卜慶云研究員和中國(guó)水稻研究所張健研究員參與指導(dǎo)論文。東北地理所韓忠民特別研究助理、劉佳助理研究員、沙漢景助理研究員、韓云飛博士、吉林師范大學(xué)劉劍鋒教授及林鑫焱碩士也參與了該項(xiàng)研究。研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（A類）項(xiàng)目（XDA28100301）、國(guó)家自然科學(xué)基金（U22A20456）、黑龍江省優(yōu)秀青年基金（YQ2021C035）、中國(guó)博士后科學(xué)基金（2021M693157）、東北地理所青年科學(xué)家小組項(xiàng)目（2023QNXZ02）等聯(lián)合資助。
論文信息：
Chuanzhong Zhang, Hongru Wang, Xiaojie Tian, Xinyan Lin,Yunfei Han,Zhongmin Han, Hanjing Sha, Jia Liu, Jianfeng Liu, Jian Zhang,Qingyun Bu, Jun Fang. A transposon insertion in the promoter ofOsUBC12 enhances cold tolerance duringjaponica rice germination. Nature Communications, 2024, 15, 2211.
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