近日，湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧作所與中國農(nóng)業(yè)大學等單位合作完成的水稻孕穗期耐冷基因克隆與進化研究取得新進展，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）。該研究克隆了一個新的水稻孕穗期耐冷基因CTB2，對CTB2和CTB4a自然變異的逐步選擇提高了粳稻的冷適應性，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內(nèi)外的傳播路經(jīng)，云南—日本—中國東北地區(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導致水稻不能正常發(fā)育而嚴重減產(chǎn)。該研究利用耐冷近等基因系構建分離群體，在連鎖定位的基礎上，進一步利用54份粳稻和67份秈稻種質資源的孕穗期耐冷表型進行全基因組關聯(lián)分析，挖掘到一個新的耐冷基因CTB2。CTB2編碼一個葡糖基轉移酶，在絨氈層、花粉粒和花藥中高表達。在低溫脅迫下，CTB2通過影響甾醇糖苷和乙?；薮继擒盏暮浚M而維持細胞膜的滲透性，保護花粉粒及花粉外壁結構，最終提高水稻的耐冷性。

 

　　CTB4a是該團隊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)勢單倍型SNP（A）表現(xiàn)強耐冷性，該單倍型起源于中國普通野生稻，在粳稻的冷適應馴化過程中受到了明顯的人工選擇，逐步擴散到高緯度地區(qū)，最后與當?shù)匦庐a(chǎn)生的CTB4a變異一起增強水稻的耐冷性。使得水稻的種植區(qū)域從低海拔延擴到高海拔地區(qū)，最終擴展到高緯度的中國東北地區(qū)，對寒地水稻發(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，也為植物適應性進化提供了另一個理論實例。這一研究結果對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、促進水稻進一步向高海拔高緯度地區(qū)種植發(fā)展、解決我國對稻米日益增長的需求有重要意義。

 

　　本文通訊作者為中國農(nóng)業(yè)大學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。