水稻适应低温环境的遗传机制
作者单位：中国科学院亚热带农业生态研究所
会议名称：《第二十届中国作物学会学术年会》
会议日期：2023年
摘 要：【研究背景】水稻起源于热带或亚热带,对低温敏感,因此冷害易导致水稻减产,危及我国粮食安全。水稻包括籼稻、热带粳稻以及温带粳稻等生态型,其中温带粳稻是水稻向高纬度或高海拔地区扩张过程中适应低温环境所形成的独特生态型,具备较强耐冷性。但其适应低温环境的遗传基础知之甚少,限制了水稻耐冷分子育种实践。水稻耐冷性是一种复杂的数量性状,由多基因控制。【材料与方法】我们在低温敏感的籼稻品种与耐低温的温带粳稻或其近缘野生稻之间通过杂交发展了多个遗传群体。利用该遗传群体,通过连锁分析与基因克隆发掘耐冷基因资源。在温带粳稻或其近缘野生稻中定位到多个耐冷QTL。通过进化分析确定与温度粳稻近缘的东乡野生稻拥有13个苗期耐低温QTL,使其具备强耐冷性,适应高纬度环境,并能越冬再生。【结果与分析】在这些QTL中,部分QTL在同一个连锁群成簇存在,例如位于第11号染色体上的HAN1、HAN2与HAN3,位于第12号染色体的HAN4与HAN5。将这些QTL簇和其他QTL聚合到导入到栽培稻中,可培育出越冬耐寒品种东野1号。这两个QTL簇邻近第11号和12号染色体的基因组片段复制区域。这些QTL连锁群,可以在耐冷温带粳稻品种中重复检测。并利用籼粳杂近等基因系,已经克隆了HAN1,编码CYP94B3蛋白,可代谢逆境激素茉莉酸;温带粳稻启动子获得1个MYB元件,抑制基因转录,保持更多逆境激素JA含量,使其在低温环境中保持较高CBF表达水平,获得耐冷性。HAN2已被精细定位到13.3Kb,该区间不含表达基因,而邻近区间有1个负调控耐冷性的OsSTP1基因,推测该区间含有远端元件调控OsSTP1表达;HAN3已被精细定位到48.4Kb,含7个预测基因,其中OsSHMT1对低温响应,存在亚种间差异表达,推测该基因的启动子变异决定HAN3等位之间的耐冷性功能差异。位于第11号染色体上的HAN1和HAN3在对应的第12号染色体上的基因组片段复制区或其邻近区有相应的QTL(HAN4和HAN5)或同源基因,推测基因组片段复制区在水稻适应性进化过程中存在协同进化机制。【结论】本研究剖析了温带粳稻与其近缘野生稻低温适应的遗传基础,为水稻耐低温分子育种奠定了理论基础与基因资源。