抑制生长素外排转运蛋白OsABCB5增强水稻对温带生境的适应性及其分子机制

为解决水稻低温敏感性问题，研究人员通过图位克隆鉴定到温带粳稻中负调控耐冷性的QTL基因HAN2（编码生长素外排转运蛋白OsABCB5），发现其下游Copia LTR逆转录转座子插入通过表观修饰抑制表达，进而通过生长素-OsARF24-OsMAP1/OsMPK3信号模块增强耐冷性。该研究揭示了水稻北向扩张的分子基础，为培育稳产耐寒水稻提供新靶点。

　　

研究背景
水稻作为全球半数人口的主粮，起源于热带/亚热带地区，对低温敏感性强制约其地理分布。尽管温带粳稻在驯化过程中获得了耐冷性，但其分子机制尚不明确。现有研究已鉴定多个耐冷QTL，但仅有少数被克隆（如COLD1、CTB4a等），且生长素如何调控耐冷性仍存疑。更关键的是，能同时提升产量稳定性和多生育期耐冷性的基因资源稀缺，这成为应对气候变化下粮食安全的重要瓶颈。

研究机构与成果
中国科学院亚热带农业生态研究所等单位的研究团队通过图位克隆技术，从温带粳稻中分离出关键QTL基因HAN2，系统解析了其通过Copia LTR介导的表观调控和生长素信号通路增强耐冷性的分子机制，相关成果发表于《Nature Communications》。

关键技术方法
研究采用染色体片段置换系（NIL-HAN2^NPB）构建精细定位群体（3200株BC₁F₂），通过酵母/Xenopus卵母细胞转运实验验证OsABCB5功能；结合ChIP-qPCR和EMSA分析OsARF24对OsMAP1/OsMPK3的调控；利用3000份水稻基因组数据开展群体遗传分析；通过CRISPR敲除Copia LTR验证表观调控机制。

研究结果

HAN2负调控水稻耐冷性
• 图位克隆将HAN2定位至1号染色体30 kb区间，唯一差异表达基因OsABCB5被确认为候选基因。
• 敲除han2突变体幼苗存活率提高50%，而过表达株系耐冷性下降，证实其负调控作用。

HAN2作为生长素外排转运蛋白的功能
• 酵母和卵母细胞实验显示HAN2促进d₅-IAA外排，水稻原生质体实验证实其转运活性。
• 免疫荧光显示HAN2定位于叶脉薄壁细胞质膜，成熟叶中高表达驱动生长素向幼叶运输。

生长素信号通路介导耐冷调控
• 外源生长素处理消除NIL-HAN2^NPB与93-11的耐冷性差异。
• OsARF24通过结合OsMAP1/OsMPK3启动子ARF-motif（TGTCTC）抑制其表达，非变性WB显示生长素促进OsARF24释放。
• han2突变体通过降低OsARF24活性解除抑制，上调OsMAP1/OsMPK3表达，增加海藻糖积累。

Copia LTR的表观沉默机制
• 温带粳稻HAN2下游5 kb处存在Copia LTR插入，通过降低H3K4me3/H3K36me3修饰抑制转录。
• CRISPR敲除LTR的HAN2^LTR株系HAN2表达翻倍，耐冷性下降50%。

驯化选择与农艺价值
• 该LTR在97.3%温带粳稻中存在，但在籼稻中几乎缺失，群体遗传分析显示强选择信号（F_ST=0.71）。
• 田间试验显示han2突变体分蘖数增加3.8个，产量提升15.2%，且孕穗期耐冷性显著增强。

结论与意义
该研究首次揭示生长素转运蛋白通过OsARF24-OsMAP1/OsMPK3模块调控耐冷性的分子机制，阐明Copia LTR插入驱动的表观变异是温带粳稻适应冷环境的关键。Yanchun Cui等发现的HAN2等位变异兼具分蘖增强和双生育期耐冷特性，为设计育种提供了“一因多效”靶点。研究不仅解析了水稻北向扩张的遗传基础，更为应对气候变化的稳产育种策略提供了新思路。