溫度是影響水稻品種形成和地域分布的主要環(huán)境因子。亞洲栽培稻分為秈稻和粳稻兩個亞種，秈稻低溫耐受性較弱，主要分布在我國華南和淮河以南的熱帶/亞熱帶地區(qū)；粳稻低溫耐受性較強(qiáng)，主要分布于我國北部和東北部。目前，學(xué)界對秈、粳稻低溫耐受性差異的分子基礎(chǔ)已有一定的了解，低溫感受器編碼基因COLD1在秈、粳稻之間存在明顯差異，COLD1中單個核苷酸變化能夠明顯改變水稻的耐寒性。低溫感受器下游信號通路眾多，但哪些調(diào)控途徑在秈/粳稻耐寒性差異形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用尚不清楚。

 

　　中國科學(xué)院院士、中科院植物研究所研究員種康課題組繼發(fā)現(xiàn)水稻低溫感受器COLD1之后，致力于解析其下游調(diào)控途徑。研究人員通過多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，維生素E-維生素K1亞網(wǎng)絡(luò)是COLD1下游低溫應(yīng)答通路，也是秈、粳稻低溫耐受性差異形成的關(guān)鍵調(diào)控點(diǎn)。研究人員從粳稻日本晴為供體的秈稻93-11單片段代換系入手，選取低溫耐受性提升至近粳稻水平的代換系，基因組序列分析表明COLD1位于代換片段區(qū)域；轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，代換系與日本晴中低溫應(yīng)答變化規(guī)律相似的通路集中于泛醌/萜醌代謝網(wǎng)絡(luò)（包括維生素合成途徑）；代謝組分析進(jìn)一步聚焦到葉綠體中維生素E和維生素K1代謝途徑；轉(zhuǎn)錄/代謝雙組學(xué)相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析表明，維生素E-維生素K1亞網(wǎng)絡(luò)是代換系低溫耐受性提升的核心調(diào)控點(diǎn)。轉(zhuǎn)基因材料分析驗(yàn)證此亞網(wǎng)絡(luò)確為COLD1下游途徑。研究人員通過多組學(xué)與遺傳材料相結(jié)合的分析手段，揭示了低溫信號被植物感知后的下游傳導(dǎo)途徑，挖掘了秈粳不同低溫耐受性形成的關(guān)鍵調(diào)控點(diǎn)，為水稻耐寒分子育種奠定了理論基礎(chǔ)并供可操作的靶點(diǎn)和材料。

 

　　該研究成果于7月20日在線發(fā)表于Cell Reports。該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和國家自然科學(xué)基金委員會的資助。

　　粳、秈稻不同耐寒性調(diào)控途徑示意圖。COLD1下游位于葉綠體的維生素E-維生素K1亞網(wǎng)絡(luò)低溫應(yīng)答模式的差異導(dǎo)致粳、秈稻分別呈現(xiàn)強(qiáng)、弱耐寒性。金黃色字體和藍(lán)色背景分別表示粳、秈稻低溫應(yīng)答模式差異核心基因和代謝物