高原粳稻冷适应基因CTB5的发现及其调控赤霉素代谢与抗寒性的分子机制

本研究针对高原粳稻在低温环境下如何增强抗寒性这一关键科学问题，通过多组学分析鉴定到HD-Zip转录因子CTB5。研究发现CTB5通过调控赤霉素(GA)代谢基因OsGA2ox6/OsGA3ox1和ABA受体基因PYL9，分别在孕穗期和苗期协同增强水稻抗寒性。该成果发表于《Nature Communications》，为培育广谱抗寒水稻品种提供了重要靶点。

　　

在气候变化加剧的背景下，低温胁迫已成为制约水稻生产的世界性难题。据统计，全球超过1500万公顷稻田遭受冷害威胁，仅中国每年就造成300-500万吨产量损失。特别是在高海拔地区，孕穗期低温会导致花粉发育异常，严重影响结实率。尽管已发现部分抗寒相关基因，但高原粳稻如何通过协调生长发育与抗寒性来适应极端环境的分子机制仍不清楚。

中国农业大学的科研团队在《Nature Communications》发表重要研究成果，首次揭示了高原粳稻冷适应关键基因CTB5的双重调控机制。该研究通过构建近等基因系群体，结合全基因组关联分析，从云南高原粳稻"昆明小白谷"中克隆到HD-Zip I类转录因子CTB5。研究人员发现该基因启动子和编码区的4个自然变异（SNP-1613、SNP-1161、SNP397和InDel829）能显著增强其低温响应能力和转录调控活性。

研究采用的主要技术包括：1）基于重组群体的精细定位技术；2）酵母双杂交和双分子荧光互补等蛋白互作验证技术；3）HPLC-MS/MS赤霉素定量分析；4）染色质免疫共沉淀和电泳迁移率实验等DNA-蛋白互作检测技术；5）来自275份野生稻和709份栽培稻的群体遗传学分析。

研究结果主要包括：

1. CTB5鉴定与功能验证

   通过比较昆明小白谷与日本品种Towada的35kb差异区间，锁定LOC_Os07g39320为候选基因。互补实验证实CTB5过表达株系在三种低温胁迫条件下结实率提高30-50%，而敲除株系则显著降低。

1. 自然变异的功能解析

   关联分析发现启动子区SNP-1613/SNP-1161和编码区SNP397/InDel829构成优势单倍型Hap1-KM。双荧光素酶报告系统显示这些变异使CTB5^KM等位基因的转录活性比普通型CTB5^Tow提高2-3倍。

2. 分子调控网络

   CTB5与OsHox12互作形成异源二聚体，直接抑制赤霉素降解基因OsGA2ox6并激活合成基因OsGA3ox1的表达。低温条件下，CTB5过表达株系花药中活性GA4和GA7含量比野生型高40-60%。

1. 双重抗寒机制

   在苗期，CTB5通过直接激活ABA受体基因PYL9的表达，降低活性氧(ROS)积累。而在孕穗期，则通过协调赤霉素动态平衡保障绒毡层正常降解，使低温胁迫下的花粉育性提高35%以上。

2. 进化与育种应用

   群体遗传分析表明CTB5^KM单倍型起源于中国南部野生稻，在云南高原粳稻中 selection sweep（选择性清除）信号显著。目前该等位基因已在"凤稻29"等高原品种中应用，使2190-2400米海拔地区产量稳定在8582 kg/hm²。

这项研究首次阐明了HD-Zip转录因子通过"GA-ABA"双通路协同调控水稻不同生育期抗寒性的分子机制。特别值得注意的是，CTB5能根据发育阶段和环境信号切换调控模式：在营养生长期抑制OsGA20ox3维持适度生长，在生殖生长期则激活OsGA3ox1保障繁殖成功。这种"智能开关"特性使其成为培育广适性抗寒品种的理想靶点。研究提供的CTB5^KM等位基因和4个功能标记，为分子设计育种提供了重要工具，对保障高海拔地区粮食安全具有重大意义。