爱游戏官网app

近日，The Plant Journal 在線發表了中國農業大學李自超 / 李金傑團隊團隊完成的題爲 "Cold-Adaptive Evolution at the Reproductive Stage in Geng/Japonica Subspecies Reveals the role of OsMAPK3 and OsLEA9 " 的研究論文。

水稻 (Oryza sativa L.，亞洲栽培稻) 是一種原產於熱帶及亞熱帶地區的主要糧食作物，主要包括秈稻和粳稻兩個亞種。相對於秈稻，粳稻在長期的馴化和改良過程中形成了優異的低溫冷適應性。低溫不僅影響水稻植株的生長髮育，也是限制水稻產量和地理分佈的主要環境因素之一。在世界各地極端天氣事件頻發的背景下，高緯度和高海拔地區在生殖生長期的低溫冷害也更爲頻繁。因此，生殖生長期的冷害已成爲限制水稻在高緯度和高海拔地區生產的主要因素。 

該研究結合轉錄組測序 (RAN-Seq) 和全基因組關聯分析 (Genome-ide association study, GWAS)，鑑定了粳稻中兩個重要的生殖生長期耐冷性調控基因 OsMAPK3 (Mitogen-Activated Protein Kinase 3) 和 OsLEA9 (Late Embryogenesis Abundant Protein 9)。轉基因驗證表明，低溫脅迫下，OsMAPK3 的過表達株系 (OE3, OE8) 的結實率顯著高於對照植株，而沉默轉基因株系 (antisence, AS) 顯著低於對照，且轉基因株系中的海藻糖 (Trehalose) 含量及其調控合成相關基因 OsICE1 及 OsTPP1 表達量與 OsMAPK3 的表達量呈正相關；過表達 OsLEA9 顯著降低水稻生殖生長期耐冷性，而 OsLEA9 的敲除株系耐冷性顯著強於對照。以上結果表明 OsMAPK3 可能通過海藻糖生物合成途徑正向參與水稻生殖生長期耐冷調控，而 OsLEA9 負向調控水稻生殖生長期耐冷性，但其耐冷調控機制仍需進一步研究。

▲ 圖 1 OsLEA9 耐冷性評價及表達模式分析

單倍型和起源演化分析發現，OsMAPK3 在粳稻 (Geng) 中的等位基因 (OsMAPK3Geng) 爲優勢等位基因且直接來源於中國III型野生稻，在適應低溫馴化過程中被保留在溫度較低的高緯度和高海拔地區。OsLEA9 的優勢等位基因 (OsLEA9KL) 是由於受到正向選擇被保留在溫帶粳稻中的自然變異。啓動子LUC活性分析表明 OsLEA9 啓動子 -776 處的單核苷酸多態性 (SNP) 爲功能 SNP (FNP)。聯合單倍型分析發現，OsMAPK3Geng 先與 OsLEA9KL“匯合”，共同提高粳稻在高海拔地區的低溫適應性；與此同時，OsMAPK3Geng 繼續向高緯度地區 “前進”，從而促進高緯度地區如中國北方粳稻的低溫適應性。育種潛力分析表明，OsMAPK3 和 OsLEA9 的優勢組合 (OsMAPK3Geng/OsLEA9KL, ++) 在改良種中的等位基因頻率顯著低地方種，說明這兩個基因在今後的育種工作中仍具有較好的育種利用潛力。

▲ 圖 2 OsLEA9 單倍型及起源演化分析

▲ 圖 3 OsMAPK3 和 OsLEA9 聯合單倍型及育種利用分析

綜上，該研究結果鑑定並功能驗證了兩個水稻生殖生長期耐冷基因 OsMAPK3 和 OsLEA9，明確了兩個基因的演化途徑及育種潛力。不僅揭示了粳稻種內冷適應分化的進化路徑，而且爲低溫地區水稻分子育種提供了新的遺傳資源。