Mol Plant | 中国农业科学院王文生团队揭示OsMYB2-OsGH18-OsCAD3模块调控木质素合成增强水稻耐旱新机制
2026年1月20日，中国农业科学院作物科学研究所水稻分子设计技术与应用创新团队在Molecular Plant上发表了题为Strong tri-genic epistasis among natural alleles of module OsMYB2-OsGH18-OsCAD3 confers improved drought tolerance in rice 的研究论文。本研究成功克隆并系统解析了水稻中三个存在互作关系的耐旱基因OsMYB2、OsGH18与OsCAD3，揭示了OsMYB2-OsGH18-OsCAD3分子模块通过调控木质素合成、强化细胞壁结构，进而提升水稻全生育期耐旱性的全新分子机制；同时利用数量遗传模型，明确了三个基因不同自然等位变异间的上位性调控关系。该研究为整合功能基因组数据与人工智能技术的作物设计育种提供了重要的基因资源、全新的技术策略及实践思路。
水资源短缺和干旱频发对水稻主粮生产造成严重威胁，提高水稻的耐旱性和产量已成为育种工作的重要目标。水稻耐旱性属于多基因调控的复杂数量性状，尽管功能基因组学研究已成功克隆大量水稻耐旱相关基因，但由于基因功能与等位基因效应、上位性等群体遗传参数缺乏有效关联，目前可直接应用于育种实践的基因资源仍十分有限。木质素作为植物细胞壁的核心组成成分，其合成与积累过程对植物干旱耐受性具有重要调控作用，然而该抗旱通路中相关基因的调控网络、自然等位变异的协同作用模式及分子机制尚未明确。本研究通过整合全基因组关联分析（GWAS）、转录组与代谢组联合分析、AlphaFold3蛋白结构预测及分子互作实验验证等技术手段，系统解析OsMYB2-OsGH18-OsCAD3调控模块介导木质素合成进而调控水稻耐旱性的分子机制与遗传互作规律，以期搭建功能基因组学研究与抗旱分子育种应用之间的桥梁，为水稻抗旱分子育种提供候选靶标与理论支撑。
本研究利用来自3000份水稻基因组项目的408份核心种质资源群体，通过GWAS定位到三个与耐旱性相关的基因OsMYB2（MYB转录因子）、 OsGH18（糖基水解酶）和OsCAD3（肉桂醇脱氢酶）。功能机制研究表明，干旱胁迫下OsMYB2直接结合并正向调控OsGH18和OsCAD3的表达；OsGH18酶与OsCAD3蛋白互作介导其糖链水解，释放的OsCAD3促进木质素生物合成与细胞壁增厚，进而增强水稻保水能力和耐旱性。
图2. OsGH18与木质素合成途径关键酶OsCAD3互作
OsMYB2和OsGH18的启动子区分别鉴定出2个和5个等位变异，OsCAD3编码区则存在4个等位变异。深入分析发现，三个基因的不同等位组合间存在显著的上位性互作，三者形成的功能模块协同调控水稻木质素的积累与抗旱性。基于该互作规律构建的遗传模型，能高效预测不同等位基因组合资源的抗旱等级、抗旱系数和产量等性状，为水稻抗旱育种提供优异的供体，例如含有OsMYB2Hap1OsGH18Hap5OsCAD3Hap1优势单倍型的种质资源。
本研究证实，基于对同一调控网络内多个基因功能关系的系统解析，可借助数量遗传模型深入揭示不同基因等位变异间的上位性互作关系。该策略为整合海量功能基因组数据与日臻成熟的人工智能技术，开展水稻抗旱新种质的定向设计与培育提供了可行途径，也为复杂性状的分子育种研究开辟了新思路。
图3. 水稻OsMYB2-OsGH18-OsCAD3模块调控木质素合成与耐旱性的模式图
中国农业科学院作物科学研究所在站博士后霍明月，中国农业科学院作物科学研究所客座硕士生、云南大学在读博士生王善文，中国农业科学院作物科学研究所张帆研究员以及安徽农业大学黎珉教授为论文共同第一作者。中国农业科学院作物科学研究所王文生研究员、黎志康研究员、徐建龙研究员为论文共同通讯作者。云南大学胡凤益教授及其团队也参与了本研究。
本研究得到了科技创新2030-重大项目、中国农业科学院创新工程、海南崖州湾种业实验室项目、国家高层次人才特殊支持计划、中国农业科学院南繁专项、中国农业科学院创新团队以及中央级公益性科研院所基本业务费专项的资助。
王文生研究员长期从事水稻种质资源基因组解析、抗逆基因挖掘和分子育种等工作。担任中国作物学会理事、海南农学会副理事长、Frontiers in Plant Science植物抗逆领域副主编和Agriculture编委。主持国家自然科学基金、科技创新2030等项目和课题10余项。近年来，以第一和通讯作者（含共同）在Nature等刊物发表论文40余篇。获国家高层次人才特殊支持计划“青年拔尖人才”、国家高层次人才特殊支持计划“中青年科技领军人才”和中国农学会青年科技奖等多项称号。
