近日，The Plant Journal 在线发表了中国农业大学李自超 / 李金杰团队团队完成的题为 "Cold-Adaptive Evolution at the Reproductive Stage in Geng/Japonica Subspecies Reveals the role of OsMAPK3 and OsLEA9 " 的研究论文。

水稻 (Oryza sativa L.，亚洲栽培稻) 是一种原产于热带及亚热带地区的主要粮食作物，主要包括籼稻和粳稻两个亚种。相对于籼稻，粳稻在长期的驯化和改良过程中形成了优异的低温冷适应性。低温不仅影响水稻植株的生长发育，也是限制水稻产量和地理分布的主要环境因素之一。在世界各地极端天气事件频发的背景下，高纬度和高海拔地区在生殖生长期的低温冷害也更为频繁。因此，生殖生长期的冷害已成为限制水稻在高纬度和高海拔地区生产的主要因素。 

该研究结合转录组测序 (RAN-Seq) 和全基因组关联分析 (Genome-ide association study, GWAS)，鉴定了粳稻中两个重要的生殖生长期耐冷性调控基因 OsMAPK3 (Mitogen-Activated Protein Kinase 3) 和 OsLEA9 (Late Embryogenesis Abundant Protein 9)。转基因验证表明，低温胁迫下，OsMAPK3 的过表达株系 (OE3, OE8) 的结实率显著高于对照植株，而沉默转基因株系 (antisence, AS) 显著低于对照，且转基因株系中的海藻糖 (Trehalose) 含量及其调控合成相关基因 OsICE1 及 OsTPP1 表达量与 OsMAPK3 的表达量呈正相关；过表达 OsLEA9 显著降低水稻生殖生长期耐冷性，而 OsLEA9 的敲除株系耐冷性显著强于对照。以上结果表明 OsMAPK3 可能通过海藻糖生物合成途径正向参与水稻生殖生长期耐冷调控，而 OsLEA9 负向调控水稻生殖生长期耐冷性，但其耐冷调控机制仍需进一步研究。

▲ 图 1 OsLEA9 耐冷性评价及表达模式分析

单倍型和起源演化分析发现，OsMAPK3 在粳稻 (Geng) 中的等位基因 (OsMAPK3Geng) 为优势等位基因且直接来源于中国III型野生稻，在适应低温驯化过程中被保留在温度较低的高纬度和高海拔地区。OsLEA9 的优势等位基因 (OsLEA9KL) 是由于受到正向选择被保留在温带粳稻中的自然变异。启动子LUC活性分析表明 OsLEA9 启动子 -776 处的单核苷酸多态性 (SNP) 为功能 SNP (FNP)。联合单倍型分析发现，OsMAPK3Geng 先与 OsLEA9KL“汇合”，共同提高粳稻在高海拔地区的低温适应性；与此同时，OsMAPK3Geng 继续向高纬度地区 “前进”，从而促进高纬度地区如中国北方粳稻的低温适应性。育种潜力分析表明，OsMAPK3 和 OsLEA9 的优势组合 (OsMAPK3Geng/OsLEA9KL, ++) 在改良种中的等位基因频率显著低地方种，说明这两个基因在今后的育种工作中仍具有较好的育种利用潜力。

▲ 图 2 OsLEA9 单倍型及起源演化分析

▲ 图 3 OsMAPK3 和 OsLEA9 联合单倍型及育种利用分析

综上，该研究结果鉴定并功能验证了两个水稻生殖生长期耐冷基因 OsMAPK3 和 OsLEA9，明确了两个基因的演化途径及育种潜力。不仅揭示了粳稻种内冷适应分化的进化路径，而且为低温地区水稻分子育种提供了新的遗传资源。