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前沿進展 | 種康院士團隊發(fā)現(xiàn)水稻低溫感受器COLD1調控維生素E-K1網絡耐寒新機制
研究背景
溫度是影響水稻品種形成和地域分布的主要環(huán)境因子。亞洲栽培稻分為秈稻與粳稻兩個亞種，秈稻低溫耐受性較弱，主要分布于我國華南和淮河以南的熱帶/亞熱帶地區(qū)，而粳稻低溫耐受性較強，主要分布于我國北部和東北部。
目前對秈、粳稻低溫耐受性差異的分子基礎已有一定了解，低溫感受器編碼基因COLD1在秈、粳稻之間存在明顯差異，COLD1中單個核苷酸變化就能明顯改變水稻的耐寒性。低溫感受器下游信號通路眾多，但哪些調控途徑在秈/粳稻耐寒性差異形成中發(fā)揮關鍵作用尚不清楚。
粳、秈稻不同耐寒性調控途徑示意圖
COLD1下游位于葉綠體的維生素E-維生素K1亞網絡低溫應答模式的差異導致粳、秈稻分別呈現(xiàn)強、弱耐寒性。金黃色字體和藍色背景分別表示粳、秈稻低溫應答模式差異核心基因和代謝物。
中國植物學會理事長、中科院植物所種康院士研究組繼發(fā)現(xiàn)水稻低溫感受器COLD1之后，致力于解析其下游調控途徑。研究人員通過多組學分析發(fā)現(xiàn)維生素E-維生素K1亞網絡是COLD1下游低溫應答通路，也是秈、粳稻低溫耐受性差異形成的關鍵調控點。
科研人員從粳稻日本晴為供體的秈稻93-11單片段代換系入手，選取低溫耐受性提升至近粳稻水平的代換系，基因組序列分析表明COLD1位于代換片段區(qū)域；轉錄組分析發(fā)現(xiàn)代換系與日本晴中低溫應答變化規(guī)律相似的通路集中于泛醌/萜醌代謝網絡（包括維生素合成途徑）；代謝組分析進一步聚焦到葉綠體中維生素E和維生素K1代謝途徑；轉錄/代謝雙組學相關性網絡分析表明維生素E-維生素K1亞網絡是代換系低溫耐受性提升的核心調控點。轉基因材料分析驗證此亞網絡確為COLD1下游途徑。
科研人員通過多組學與遺傳材料相結合的分析手段揭示了低溫信號被植物感知后的下游傳導途徑，挖掘了秈粳不同低溫耐受性形成的關鍵調控點，為水稻耐寒分子育種奠定理論基礎并供可操作的靶點和材料。
該研究成果”Integrated global analysis reveals a vitamin E-vitamin K1 sub-network, downstream of COLD1, underlying rice chilling tolerance divergence“于7月20日在線發(fā)表于Cell Reports。
中科院植物所羅偉博士和中科院遺傳發(fā)育所副研究員郇慶為論文第一作者，植物所研究員張景昱和種康院士為通訊作者。該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和國家自然科學基金的資助。
種康院士
個人簡介
種康院士主要從事植物感知溫度以及開花和器官發(fā)生的分子網絡研究。近年來發(fā)現(xiàn)小麥感知春化信號的分子網絡，揭示了春化蛋白磷酸化和糖基化修飾的感知機制與開花調控模式。發(fā)現(xiàn)水稻低溫感受器，揭示了細胞膜蛋白復合物感受低溫機制與信號轉導途徑，證明在人工馴化中基因介導的耐寒性起源于中國野生稻的分子遺傳變異模式。相關研究成果發(fā)表在Cell, Nature Plants, Developmental Cell, EMBO Journal等國際權威雜志上。
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