New Phytologist:粳稻抗冷适应性驯化过程中自然变异的逐步选择

4月23日，New Phytologist发表了题为Stepwise selection of natural variations at CTB2 and CTB4a improves cold adaptation during domestication of japonica rice 的研究论文，通讯作者是中国农业大学的李自超教授。

背景：水稻由粳稻和籼稻两个亚种组成，粳稻通常比籼稻更耐寒，因而粳稻在温带地区占是主栽品种。随着气候变化，极端寒冷天气事件更加频繁，仅在中国每年因冷害造成的产量损失估计为300-500万吨。水稻孕穗期遭受冷害是影响产量的重要因素，作者先前的研究发现只有Ctb1和CTB4a在孕穗期具有耐冷功能。在此基础上，作者克隆了耐冷基因CTB2，发现CTB2祖先变异的逐步选择和CTB4a新产生的变异提高了水稻的耐冷性，使水稻的种植面积从低海拔地区扩大到较冷的高海拔地区，最终扩展到中国东北、日本和韩国的高纬度地区。

研究方法与结果：

1、评价水稻耐冷性的方法：统计对照和不同处理3个主要稻穗的平均小穗结实率。用低温处理后的结实率除以正常条件下的结实率来计算相对结实率，以此评价水稻的耐冷性。

2、54个粳稻和67个籼稻的耐冷性数据进行GWAS关联分析和单倍型分析，定位到了CTB2，分析得出CTB2有4种单倍型，其中一种单倍型SNP(A)与强耐冷性有显著关联。

3、转基因验证CTB2对水稻耐冷性的正向调控，包括增加结实率和提高花粉育性。

4、RT-PCR和GUS染色都证明了CTB2在绒毡层、花粉粒和花药中的高表达，亚细胞定位显示其定位于细胞核和细胞膜。

5、核苷酸多样性与选择分析表明CTB2的耐冷SNP(A)起源于中国普通野生稻，在粳稻驯化过程中对寒冷的适应受到了人工选择。

6、CTB2和CTB4a共同增强耐寒性，CTB4a的耐冷等位基因是驯化后发生的适应寒冷环境的新变异，主要分布在高海拔和高纬度区域。CTB2的耐冷变异来自野生稻，然后逐步选择并扩散到高纬度地区，最后与当地新产生的CTB4a变异一起增强水稻的耐冷性。

点评：基因组学的研究揭示了粳稻起源于中国热带或亚热带地区，随后传播到全世界。但少有关于粳稻如何传播到较冷的高海拔和高纬度地区的研究。作者的研究发现CTB2的祖先变异和CTB4a的新变异在驯化过程发生了逐步选择，提高了粳稻的冷适应，将水稻从高海拔地区扩展到高纬度地区。研究发现CTB2通过甾醇途径来增强耐寒性;而CTB4a通过调节ATP供应，加强了冷适应性，这两个基因有利变异的结合大大提高了耐寒性，暗示着在具有不同代谢过程的基因共同选择可以更好地增强植物的适应性。

原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17407