Nature Communications | 中国农业大学农学院李金杰教授在粳稻冷适应性的遗传基础和分子机制解析中取得新进展

水稻起源于热带和亚热带地区，其在整个生育期对低温表现高度敏感。水稻孕穗期遭遇低温冷害，会影响幼穗及小孢子的正常发育，导致花粉育性降低和结实率下降。目前，利用自然群体挖掘的孕穗期耐冷基因资源有限，对孕穗期耐冷分子机制了解甚少。因此，挖掘新的孕穗期耐冷基因并解析其分子机制，明确关键自然变异，对于水稻耐冷新种质的创制具有重要意义。

植物钙调素结合转录因子（CAMTA）在各种逆境胁迫中发挥重要作用。AtSR1（CAMTA3）、AtCAMTA1、AtCAMTA2与AtCAMTA5正调控拟南芥耐冻性，它们能够激活AtDREB1s（CBFs）基因和其他冷诱导基因的表达。AtSR1也参与调节拟南芥的免疫能力、抗旱性和耐盐性。在水稻中，OsCBT1和OsCAMTA3负向调节植物对病原体的免疫反应；SCT1和SCT2负向调控耐热性。目前为止，还没有CAMTA转录因子参与调控水稻耐冷性的研究报道。

2025年2月13日，中国农业大学农学院李金杰教授在Nature Communications期刊在线发表了一篇题为“Natural variation of indels in the CTB3 promoter confers cold tolerance in japonica rice”的研究论文（https://doi.org/10.1038/s41467-025-56992-7）。该研究揭示了OsCAMTA4（CTB3）调控水稻孕穗期耐冷性的分子机制，阐明了CTB3在促进粳稻冷适应性过程中的重要作用。

在前期研究中，该团队利用云南自然低温条件对水稻核心种质进行孕穗期耐冷性鉴定，并通过全基因组关联分析挖掘到一个稳定的孕穗期耐冷位点qCTB1t。本研究通过候选基因分析，将OsCAMTA4确定为最可能的候选基因，命名为CTB3。通过遗传互补、过表达和基因敲除等转基因功能验证实验，证实了CTB3正向调控水稻孕穗期耐冷性。

单倍型分析表明Hap1为CTB3的耐冷单倍型。候选基因的关联分析和启动子活性分析实验表明，CTB3启动子区的57bp和284bp的indel变异是决定孕穗期耐冷性的关键自然变异。CTB3-Hap1耐冷单倍型材料中CTB3的冷诱导表达水平显著高于CTB3-Hap2冷敏感单倍型材料。与轮回亲本DY17相比，近等基因系NILCTB3-Hap1中CTB3的冷诱导表达水平更高。此外，两种单倍型CDS的过表达转基因材料均能提高孕穗期耐冷性，这表明CTB3编码区的SNPs变异不影响蛋白的功能。这些结果说明CTB3启动子区的两个indels是关键功能变异区。

图1. CTB3正向调控水稻孕穗期耐冷性

图2. 启动子区两个indels是CTB3的功能变异区

生物信息学预测结合分子实验证明，OsTCP19能够与2个indels区结合直接抑制CTB3的表达，负向调控水稻孕穗期耐冷性。CTB3-Hap1启动子区仅包含1个OsTCP19结合位点，而CTB3-Hap2启动子区包含3个OsTCP19结合位点，这些结果表明OsTCP19是调节CTB3不同单倍型冷诱导表达水平的关键上游调节因子。

图3. OsTCP19作用于CTB3上游并负向调控孕穗期耐冷性

转录组分析结果显示，低温胁迫条件下，CTB3可能通过碳水化合物代谢和糖转运途径调节孕穗期耐冷性。在这两个途径中，鉴定到了苗期耐冷基因OsTPP1和糖转运相关基因。分子生物学实验表明，CTB3直接结合OsTPP1启动子并激活其表达。OsTPP1编码海藻糖-6-磷酸磷酸酶，能够催化六磷酸海藻糖（Tre6P）去磷酸化成海藻糖（Tre）。研究结果发现，OsTPP1通过抑制六磷酸海藻糖的积累，促进糖转运相关基因的表达, 从而使穗子中糖类物质积累。糖类物质在低温胁迫条件下能够维持花粉的正常发育，最终提高水稻孕穗期耐冷性。

图4. OsTPP1是CTB3靶基因并正向调控孕穗期耐冷性

通过构建单倍型网络和系统发生树，发现CTB3-Hap1起源于中国南方的普通野生稻。选择性清除分析和中性测验结果显示，CTB3在温带粳稻中受到定向选择。单倍型分析表明T-Hap1为OsTCP19的耐冷单倍型，选择性清除分析和中性测验结果也表明OsTCP19在粳稻中受到定向选择。联合单倍型分析表明，T-hap1促进了粳稻和少部分籼稻耐冷性的提高，CTB3-hap1进一步促进了粳稻内部材料耐冷性的提高。育种潜力分析表明，CTB3-Hap1和T-Hap1耐冷等位基因在粳稻中得到了较好的应用。CTB3-Hap1近等基因系的耐冷性评价表明，CTB3-Hap1等位基因能够提高籼稻优质品种德优17的孕穗期耐冷性，具有较好的耐冷育种应用潜力。

图5. CTB3育种利用潜力及其耐冷分子机制模型

综上所述，本研究克隆水稻孕穗期耐冷转录因子CTB3，揭示了CTB3通过海藻糖代谢途径提高孕穗期耐冷性的分子机制，阐明了具有57bp和284bp缺失的CTB3-Hap1等位基因在粳稻冷适应性中发挥的重要作用。研究结果不仅深化了对粳稻冷适应性的理解，也为耐冷育种提供了重要的基因资源。

中国农业大学已毕业博士李劲和中国农业大学博士后郭海峰为论文的第一作者。中国农业大学农学院李金杰教授为论文的通讯作者。云南省农业科学院曾亚文研究员在云南自然低温表型鉴定方面给与了大量支持。研究工作还得中国种子集团有限公司陈超博士和黑龙江省农业科学院马文东研究员、郭震华副研究员的大力支持。中国农业大学李自超教授、张洪亮教授、张战营副教授和孙兴明副教授参与了此项工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。