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文献分享丨中国农业大学李金杰团队揭示水稻CTB5自然变异促进高原粳稻冷适应性的遗传基础和分子机制

  • 2026-10-22 11:58:37
文献分享丨中国农业大学李金杰团队揭示水稻CTB5自然变异促进高原粳稻冷适应性的遗传基础和分子机制

英文题目:Natural variation of CTB5 confers cold adaptation in plateau japonica rice

中文题目:CTB5的自然变异赋予高原粳稻抗寒能力

期刊名称:Nature Communications

影响因子:14.7

作者单位:中国农业大学

DOI:https://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-56174-5

研究背景

水稻起源于热带和亚热带地区,整个生长发育时期对低温冷害表现出显著敏感性。其中,孕穗期低温冷害会干扰幼穗分化和小孢子发育,导致花粉败育和结实率下降,从而直接影响稻谷的产量和品质。迄今为止,水稻孕穗期耐冷基因资源较为有限,对于孕穗期耐冷性的分子机制了解甚少。因此,克隆水稻孕穗期耐冷基因并解析其分子机制,具有重要理论意义和应用价值。云南高原粳稻区是中国少数特殊的稻作区之一,约60%的粳稻常年种植在海拔1500-2700米的高原地带。这一独特的地理生态环境经过长期的自然选择与人工选育,孕育了丰富的高原粳稻种质资源。这些种质展现出显著的冷适应能力,为水稻耐冷遗传研究和品种改良提供了宝贵材料。然而,高原粳稻适应低温胁迫的遗传基础和分子机制尚不明确。

研究路线

研究结果

01

CTB5在孕穗期积极调节抗寒性

前期研究在粳米孕穗期识别了CTB5的抗寒能力(图1a-e)。随后,为了确认CTB5的候选性,我们从KMXBG中分离出一个5.1kb的基因组片段,用于Towada背景中的互补测试。互补系(CP2和CP5)提高了Towada的抗寒性(图1f-i),表明CTB5是qCTB7的因果基因。为了进一步阐明CTB5的功能,我们使用RNA干扰(RNAi)来抑制NILCTB5背景中的CTB5表达。我们还通过将全长KMXBG编码序列(CDS)引入Towada背景来生成CTB5过表达(OE)转基因系。此外,我们在NILCTB5和Nipponbare背景中使用CRISPR/Cas9系统生成了CTB5纯合敲除系。与对照相比,CTB5 RNAi系(RI2和RI4)和敲除系均对冷胁迫敏感(图1n-q)。相比之下,CTB5 OE系(K-OE3和K-OE6)表现出比Towada更高的耐寒性(图1j-m)。这些结果表明CTB5在水稻孕穗期对耐寒性有正向调节作用。

图1.CTB5对孕穗期的抗寒性至关重要。(a)qCTB7的纯合重组体及其抗寒性能。数据代表平均值±标准差。在条形图上标明了用于表型的个体的数量(n)。(b)高海拔地区(CS-HAA)寒冷胁迫下NILCTB5和Towada的田间表现比较。(c、d)正常条件(NC)和CS-HAA条件下(c)以及深水(CS-DW)寒冷胁迫下和植物生长室(CS-PT)条件下(d)NILCTB5和Towada的结实率。数据代表平均值±标准差(NC和CS-HAA为n=15株植物,CS-DW和CS-PT为n=11株植物)。(e)NILCTB5和Towada在寒冷处理期间不同时间点的CTB5相对表达水平。数据代表平均值±SD(n=3个生物学重复)。(f、g)CS-HAA处理下Towada和CTB5互补系的田间表现(f)和穗(g)比较。比例尺g=2cm。(h、i)CS-HAA(n=20/18/18株)(h)CS-DW(n=15/15/10株)和CS-PT(n=15/15/15株)(i)下Towada和CTB5互补系的结实率。(j、k)CS-HAA(n=23/22/19/22/18株)(j)CS-DW(n=13/24/15/10/10株)和CS-PT(n=10/20/12/12/12株)(k)下Towada和CTB5过表达系的结实率。(l、m)CS-HAA胁迫下Towada和CTB5过表达系的田间表现(l)和穗(m)比较。比例尺m=2cm。(n)CS-HAA胁迫下Nipponbare和CTB5敲除系的田间表现(n)和穗(o)比较。比例尺o=2cm。(p、q)CS-HAA(n=15株植物)(p)CS-DW(n=10株植物)和CS-PT(n=10株植物)(q)下Nipponbare和CTB5敲除系的结实率。在(a、c-e)中,星号表示双尾Student’s t检验的统计学意义(**P<0.01,***P<0.001,数据代表平均值±标准差)。在(h–k,p、q)中,不同的小写字母表示通过Duncan多重范围检验的单因素方差分析在P=0.05处具有统计学显著差异,误差线表示平均值±标准差。

02

CTB5通过靶向OsGA2ox6和OsGA3ox1来调节花药中的GAs水平

外源应用试验表明,低温下施用赤霉素(GA)可提高CTB5敲除植物和过表达植物的结实率(图2a、b)。为了研究CTB5是否参与GA途径,我们用HPLC-MS/MS测量了正常和寒冷胁迫条件下CTB5转基因型和野生型植物花药中各种GA成分的水平。GA1、GA3、GA4和GA7是水稻中主要的活性GA,其组织分布不同:GA1和GA3主要在营养器官中,而GA4和GA7主要在生殖器官中。此外还观察到花药中GA4和GA7的含量明显高于GA1和GA3(图2c、d)。在正常条件下,CTB5敲除型、过表达型和野生型植物之间没有发现活性GA水平的显著差异(图2c、d)。然而,在16℃下冷处理7天后,所有植物类型的GA4和GA7水平均显著降低,敲除植物的水平低于Nipponbare,而过表达植物的水平高于Towada(图2c、d)。同样,中间前体GA9和GA15以及产物GA34的水平在CTB5敲除植物中低于Nipponbare,在过表达植物中高于Towada(图2e-h)。相反,GA1、GA3、它们的中间前体GA19和GA20以及产物GA8的水平在两种条件下始终较低,CTB5敲除型、过表达型和野生型植物之间的水平相似(图2c-h)。这些结果表明CTB5介导GA稳态并促进寒冷胁迫下花药中生物活性GA的积累。

为了阐明CTB5在孕穗期调控GA介导的抗寒性的机制,我们使用转录组分析和qRT-PCR鉴定出CTB5通过调控基因OsGA2ox6和OsGA3ox1从而调控GA介导的抗寒性。为了测试CTB5是否直接调节OsGA2ox6和OsGA3ox1,我们分析了这两个基因的启动子并确定了保守位点(TAATTA)基序。酵母单杂交(Y1H)试验表明CTB5与OsGA2ox6和OsGA3ox1的启动子片段直接相互作用(图2i,m)。DNA电泳迁移率变动试验(EMSA)表明CTB5MBP融合蛋白可以与含有TAATTA基序的探针结合,但不能与突变的探针结合(图2j,n)。染色质免疫沉淀(ChIP)分析证实,只有含有TAATTA基序的片段显著富集(图2k,o)。双荧光素酶报告基因检测显示,CTB5抑制OsGA2ox6并激活OsGA3ox1,且CTB5KM的调控作用强于CTB5Tow(图2l,p)。此外,OsHox12和CTB5共表达显著抑制了OsGA2ox6的LUC表达并增强了OsGA3ox1的LUC表达,表明OsHox12促进了CTB5对这两个基因的调控作用(图2q-t)。

综上所述,这些结果表明CTB5直接调控OsGA2ox6和OsGA3ox1,并通过促进冷胁迫下花药中生物活性GA的积累,在孕穗期赋予抗寒性。

图2.CTB5通过直接调节OsGA2ox6和OsGA3ox1来调节花药中的赤霉素(GA)水平。(a、b)在施用和不施用GA的情况下暴露于冷胁迫的CTB5敲除(a)和过表达(b)植物的结实率。数据代表平均值±标准差(a中n=11/9、10/9株植物,b中n=10/10、10/10、7/7株植物)。(c-h)在正常条件(NC)和冷胁迫(CS)条件(16℃,7天)下CTB5敲除和过表达植物正在发育的花药中的GA含量。数据代表平均值±标准差(n=3个生物学重复)。(i、m)酵母单杂交试验测试CTB5与OsGA2ox6(i)和OsGA3ox1(m)启动子的结合。EV,空载体。(j、n)EMSA检测表明CTB5与OsGA2ox6(j)和OsGA3ox1(n)启动子的TAATTA基序结合。(k、o)ChIP-qPCR检测表明CTB5在体内与OsGA2ox6(k)和OsGA3ox1(o)启动子结合。数据代表平均值±标准差(n=3个生物学重复)。(l、p)双荧光素酶报告基因检测证实CTB5与水稻原生质体中的OsGA2ox6(l)和OsGA3ox1(p)启动子结合。EV,空pGreenII62-SK载体。数据代表平均值±标准差(l为n=5个生物学重复,p为n=4个生物学重复)。(q-t)双荧光素酶报告基因检测显示,OsHox12增强了CTB5对水稻原生质体(q,s)和烟草叶片(r,t)中OsGA2ox6和OsGA3ox1的调控作用。EV,空pGreenII62-SK载体。数据代表平均值±标准差(q和s的n=4个生物学重复,r和t的n=5个生物学重复)。在(i–t)中,显示了来自至少两个独立实验的代表性实验。在(a、b、k、o)中,星号表示通过双尾Student’s t检验的统计学显着性(*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001)。在(c–h,l,p–t)中,不同的小写字母表示通过单因素方差分析和Duncan多范围检验在P=0.05处具有统计学显着差异。

03

CTB5调控冷胁迫下绒毡层发育和花粉育性

为了阐明CTB5调控孕穗期抗寒性的组织学机制,我们检测了参与绒毡层发育的关键基因的表达,包括EAT1、LAP6和DPW3。在低温胁迫下,这些基因的表达在Nip-ctb5-cr2中显著低于Nipponbare,在K-OE3中显著高于Towada。然而,在正常条件下,Nip-ctb5-cr2和Nipponbare之间,或K-OE3和Towada之间这些基因的表达水平无显著差异(图3a)

通过研究绒毡层和小孢子母细胞的动态发育,我们发现在正常条件下,NILCTB5和Towada之间以及Nipponbare和Nip-ctb5-cr2之间的绒毡层降解和小孢子发育没有显著差异。在CS-HAA下,在第9阶段,NILCTB5和Towada之间以及Nipponbare和Nip-ctb5-cr2之间的绒毡层和小孢子差异不大。然而,在第10阶段,Towada和Nip-ctb5-cr2植物的绒毡层变得比NILCTB5和Nipponbare的要厚。在第11生育期及后期,Towada和Nip-ctb5-cr2的绒毡层没有随时间退化,而NILCTB5和Nipponbare的绒毡层则正常退化,说明NILCTB5和Nipponbare的绒毡层相对于Towada和Nip-ctb5-cr2没有受到低温的损伤。在第12生育期,Towada和Nip-ctb5-cr2的花粉粒发生败育,而NILCTB5和Nipponbare的花粉粒则正常成熟并充满了储备物质(图3b、c)。进一步对花粉育性进行检测发现,NILCTB5、Towada、Nipponbare和CTB5转基因植株在孕穗期染色花粉率的变化与它们的抗寒性相一致(图3d-f)。综上所述,这些结果表明CTB5通过促进冷胁迫下的绒毡层发育和花粉育性来增强孕穗期的抗寒性。

图3.CTB5在寒冷胁迫下调节绒毡层发育和花粉育性。(a)在正常和寒冷胁迫条件下,CTB5敲除和过表达系中EAT1、LAP6和DPW3的相对表达水平。数据代表平均值±标准差(n=3个生物学重复)。(b、c)在高海拔地区寒冷胁迫(CS-HAA)条件下,NILCTB5和Towada(b)以及Nipponbare和CTB5敲除植物(c)花药发育的组织学分析。比例尺=10μm。Ep,表皮细胞层;En,内皮细胞层;YM,小孢子;VP,液泡花粉;BP,双细胞花粉;MP,成熟花粉;T,绒毡层。(d)在正常条件(NC)和CS-HAA下对NILCTB5、Towada、Nipponbare和CTB5敲除植物的花粉进行染色。比例尺=100μm。(e、f)NC和CS-HAA条件下NILCTB5和Towada(e)以及Nipponbare和CTB5敲除植物(f)的染色花粉率。数据代表平均值±标准差(n=10个生物学重复)。在(a、e、f)中,星号表示双尾Student’s t检验的统计显著性(*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001)。

讨论与总结

在高纬度和高海拔地区的冷适应过程中,粳稻的抗寒能力增强,但其潜在的遗传基础仍不清楚。在这里,我们鉴定出CTB5,这是一种同源域亮氨酸拉链(HDZip)转录因子,可在粳稻孕穗期赋予其抗寒能力。启动子和编码区的四种自然变异增强了冷响应和转录调控活性,使有利的CTB5KM等位基因能够提高抗寒能力。CTB5与OsHox12相互作用并靶向赤霉素(GA)代谢基因,以促进GA在花药中的积累并促进冷胁迫下的绒毡层发育。此外,CTB5直接调控PYL9并通过减少活性氧(ROS)积累来提高苗期的抗寒能力。CTB5KM等位基因是在粳稻对云南高原生境的冷适应过程中选择的。我们的研究结果为高原粳稻适应寒冷的潜在机制提供了见解,并为培育耐寒水稻品种提供了潜在的目标。
参考文献:

Guo, H., Gao, S., Li, H. et al. Natural variation of CTB5 confers cold adaptation in plateau japonica rice. Nature Communications 16, 1032 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56174-5.

END

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