Plant Commun | 中国农业大学谭禄宾/刘凤霞团队揭示水稻苗期耐冷新机制,为耐冷分子育种提供优异靶点
- 2026-10-19 20:31:15
Plant Commun | 中国农业大学谭禄宾/刘凤霞团队揭示水稻苗期耐冷新机制,为耐冷分子育种提供优异靶点
2026年6月29日，中国农业大学农学院谭禄宾教授和刘凤霞副教授团队在知名期刊《Plant Communications》（IF=13.7）发表（非最终校稿）了题为“Natural variation in the COT1 promoter improves rice seedling cold tolerance by OsCBF3-dependent transcriptional activation”的研究论文。研究从东乡野生稻导入系DIL4出发，克隆苗期耐冷基因COT1。团队发现，COT1启动子中的T/C自然变异改变OsCBF3结合能力，从而调控COT1表达；COT1蛋白进一步促进CK2β3降解，提高低温下磷和ATP积累，维持光合效率，最终增强水稻苗期耐冷性。这一OsCBF3-COT1-CK2β3模块为耐冷育种提供了直接可用的野生稻优异等位基因。 
研究团队利用耐冷导入系DIL4进行定位克隆。两周龄幼苗在10°C处理10天并恢复7天后，DIL4存活率为70.0 ± 5.8%，明显高于受体亲本GC2的17.0 ± 7.3%。基于DIL4与GC2构建的154个F2:3家系，COT1被定位到9号染色体，解释13.73%的表型变异；进一步在3162株大群体中精细定位到C22和C7之间约36.4 kb区间。该区间含6个预测基因，其中LOC_Os09g21710在低温下于DIL4中显著高表达，成为最强候选基因。 为验证功能，团队将来自DIL4的6847 bp基因组片段导入冷敏感品种Teqing。10°C处理6天后，两个互补株系存活率分别为70.8 ± 3.4%和77.8 ± 5.2%，显著高于TQ的23.9 ± 4.7%。相反，在DIL4背景中敲除LOC_Os09g21710后，10天低温处理后的存活率降至19.9 ± 8.0%和14.1 ± 4.1%，明显低于DIL4的60.9 ± 4.7%。这些遗传证据确认LOC_Os09g21710就是COT1，并正向调控苗期耐冷性。 
图1 COT1互补与敲除材料的耐冷表型 COT1编码区长567 bp，编码一个含AN1样锌指结构域的SAP家族蛋白。RT-qPCR显示，COT1在幼苗、幼穗、旗叶、节和节间等组织中均有表达；公共转录组数据表明其受多种非生物胁迫诱导，其中低温诱导最明显。水稻原生质体和烟草叶片瞬时表达显示，COT1-GFP定位于细胞核和细胞质。系统发育分析显示，COT1及其同源蛋白在禾本科中较保守，并含两个AN1型锌指结构域，提示该类蛋白可能在植物逆境适应中具有保守作用。 团队比较DIL4和GC2的COT1序列，发现编码区有2个SNP和1个InDel，启动子区有11个SNP和11个InDel。分别过表达DIL4来源和GC2来源COT1编码序列后，两类材料均显著提高TQ耐冷性，且耐冷水平相近，说明编码区变异不决定功能差异。双荧光素酶实验进一步锁定启动子V19位点，DIL4启动子转录活性高于GC2；一系列嵌合、截短和定点突变载体显示，V19处T/C变异是造成COT1表达差异的关键自然变异。 
图2 COT1启动子T/C变异影响转录活性 V19位点位于DRE/CRT核心结合基序ACCGAC附近。团队筛选OsDREB1家族成员后发现，OsCBF3低温诱导最强。ChIP-qPCR显示，OsCBF3可富集到含V19位点的COT1启动子片段；EMSA和MST进一步证明，OsCBF3对DIL4型ACCGAT探针的结合强于突变后的ACCGAC探针。双荧光素酶实验中，OsCBF3对DIL4型启动子的激活强于GC2型；将DIL4的T改为C会降低活性，将GC2的C改为T则提高活性。OsCBF3过表达提高耐冷性和COT1表达，敲除则相反。 
图3 COT1启动子T/C变异改变OsCBF3结合 为解析下游机制，团队通过酵母双杂交筛选到CK2β3。点对点酵母验证、pull-down、Co-IP和分裂荧光素酶互补均证明COT1与CK2β3互作。CK2β3敲除株系比DIL4更耐冷，而CK2β3过表达株系耐冷性下降，说明CK2β3是耐冷负调控因子。遗传关系分析显示，COT1-KO CK2β3-KO双突变体表型接近CK2β3-KO，表明COT1位于CK2β3上游。体外无细胞降解实验中，COT1过表达提取物加快His-CK2β3降解，COT1敲除则延缓降解。 
图4 COT1互作并促进CK2β3降解 RNA-seq显示，COT1过表达材料在10°C处理12小时后共有1976个差异表达基因，其中1100个上调、876个下调。GO和KEGG富集均指向小分子代谢、类囊体、光合膜和光合作用通路。低温下，COT1过表达和CK2β3敲除材料Fv/Fm更高，GC2和COT1敲除材料Fv/Fm更低。Pi和ATP测定也呈一致趋势：COT1过表达材料高于TQ，CK2β3敲除高于DIL4，而GC2和COT1敲除低于DIL4。缺磷会削弱COT1过表达带来的耐冷优势，说明COT1-CK2β3模块通过磷稳态和光合效率提升耐冷性。 
图5 COT1-CK2β3模块维持低温下光合效率 团队在1938份野生和栽培稻中分析COT1单倍型，识别出6种单倍型。耐冷DIL4等位基因属于Hap1，在野生稻中占59.18%，在粳稻中占97.88%；冷敏GC2等位基因属于Hap2，在籼稻中占79.29%。154份核心种质表型显示，携带Hap1的材料在温带粳稻、热带粳稻和籼稻亚群中均比Hap2材料更耐冷，低温下COT1表达也更高。地理分布显示Hap1多见于中国中北部、日本、朝鲜等中高纬度地区。核苷酸多样性、ROD和FST分析表明，COT1在粳稻驯化过程中经历了强定向选择。 
图6 COT1在粳稻驯化中受到定向选择 研究提出了一个野生稻来源的苗期耐冷模型：低温诱导OsCBF3活化，OsCBF3更强结合O. rufipogon和粳稻来源COT1启动子中的有利T型变异，促进COT1表达；COT1蛋白与CK2β3互作并促进其降解，解除CK2β3对磷稳态的不利影响，进而提高Pi和ATP积累，维持低温下PSII光化学效率和光合相关基因表达，最终提升幼苗存活率。该研究把启动子自然变异、CBF冷响应通路、CK2β3蛋白降解和光合能量维持连接起来，解释了野生稻优异等位基因如何被粳稻驯化保留，也为寒冷稻区耐冷育种提供了明确靶点和分子设计依据，具有直接转化潜力和实际应用新价值空间。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101984 文献简报 Plant Commun | 重庆大学黄俊丽团队揭示调控水稻耐盐性机制：OsCPK4-OsCNGC7反馈环路 BMC Med | 安徽医科大学团队揭示CCR7-KMT2D调控CAR-T疗效的分子机制 Science Advances | 扬州大学于恒秀团队揭示调控水稻光合作用与产量反馈模块：OsGLK-DGP IF=81 STTT | 白蛋白紫杉醇联合 S-1，局部晚期胰腺癌诱导转化新方案 Science Advances | 南京大学孙博团队揭示油菜素内酯调控茎尖分生组织稳态 PBJ | 浙江大学方磊团队揭示GhTTLL12调控棉纤维起始和伸长分子机制 Mol Plant | 山西农大联合中科院傅向东院士团队解析水稻高产密码：OsOTUB1-OsSnRK1β1A 通路 J Neuroinflammation | 苏州大学团队揭示PDZD8保护蛛网膜下腔出血早期脑损伤 PNAS | 中科院彭仁海/何守朴/刘方团队揭示陆地棉驯化与纬度适应的遗传机制 Adv Sci | 苏州大学王进和李建祥团队揭示靶向SIRT3可逆转吸烟巨噬细胞衰老！吸烟肺损伤可逆机制新靶点出炉
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