水稻PH8等位基因自然变异协同调控株型与低温抗性的分子机制及育种应用

为解决粳稻（GJ）育种中株型改良与低温抗性协同调控的难题，四川农业大学团队通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定出关键基因PH8。研究发现PH8Hap.0等位基因通过抑制抗氧化基因APX2的表达，降低活性氧（ROS）积累，从而同时实现株高缩减和低温耐受性提升。该研究揭示了2-酮戊二酸双加氧酶（2OGD）家族基因的新功能，为水稻分子设计育种提供了双重优化靶点。

　　

在全球气候变化背景下，低温胁迫已成为限制水稻种植区域扩展和产量稳定的关键因素。粳稻（GJ）作为亚洲栽培稻的重要亚种，虽在向高纬度地区迁移过程中演化出一定的耐寒性，但其分子机制仍不明确。传统育种中，株高与抗逆性往往难以协同优化——例如"绿色革命"中广泛应用的半矮化基因SD1虽能降低株高，却与抗逆性无直接关联。更棘手的是，低温会诱发活性氧（ROS）爆发，导致细胞损伤甚至植株死亡，而现有研究对调控ROS清除与株型发育的协同机制知之甚少。

四川农业大学的研究团队通过分析450份粳稻种质资源，运用以抽穗期（HD）为协变量的全基因组关联分析（GWAS），在8号染色体27.9-28.1 Mb区间锁定关键位点qPH8。该区域包含两个功能基因：已知的赤霉素（GA）信号通路抑制因子SPY和新发现的PH8（编码2-酮戊二酸双加氧酶）。研究人员通过CRISPR/Cas9基因编辑构建ph8突变体，发现其株高降低约15%而其他农艺性状不受影响，证实PH8是株高的正向调节因子。

深入分析557份种质的单倍型发现，PH8Hap.0等位基因在现代品种中高频出现，且携带该单倍型的材料在4℃胁迫下结实率显著高于PH8Hap.1型。选择性清除分析显示PH8Hap.0起源于高纬度地区，在粳稻改良过程中受到强烈正向选择。低温处理实验表明，ph8突变体存活率提高40%，ROS清除酶（POD/SOD）活性增强，且抗坏血酸过氧化物酶基因APX2表达量上升3倍。双荧光素酶报告系统证实PH8通过温度依赖性方式抑制APX2启动子活性，揭示了其通过ROS稳态调控低温抗性的新机制。

关键技术包括：基于450份粳稻种质的GWAS分析（含HD协变量校正）、CRISPR/Cas9基因编辑构建ph8突变体、557份种质的单倍型与选择清除分析、酵母双杂交验证PH8转录激活活性、原生质体瞬时表达系统进行APX2启动子活性检测等。

研究结果：

1. GWAS Identifies qPH8 as a Key Locus Height
   通过多环境GWAS定位到qPH8位点，其包含的PH8基因启动子区存在PH8Hap.0/PH8Hap.1两种主要单倍型，前者表达量降低且与株高缩减相关。

2. CRISPR Knockouts Confirm Functional Role of PH8 in Growth Regulation
   ph8突变体株高显著降低但其他农艺性状不变，证实PH8特异性调控株高发育。

3. PH8Hap.0 is a Selected Allele Enhancing Cold Tolerance in Japonica
   PH8Hap.0在现代品种中占比达72%，其携带者在低温下结实率提高25%，地理分布显示该等位基因起源于中国北方高纬度地区。

4. PH8 Negatively Regulates Cold Tolerance by Promoting ROS Accumulation
   ph8突变体在4℃处理下ROS积累减少50%，APX2表达量上升，证实PH8通过抑制抗氧化途径负调控低温抗性。

讨论与结论：
该研究首次揭示2OGD家族基因PH8的双重功能：既通过独立于GA通路的机制调控株高，又通过温度敏感性的转录抑制调控APX2介导的ROS清除。PH8Hap.0等位基因在育种过程中被"无意选择"保留，因其同时满足现代品种对紧凑株型和低温适应性的需求。这一发现突破了传统育种中"抗逆性-株型"难以协同改良的瓶颈，为分子设计育种提供了新靶点。研究还提出了2OGD家族基因参与环境适应的新范式——通过代谢调控（SA合成）与转录调控（APX2抑制）的双重机制响应低温胁迫。

该成果发表于《Rice》杂志，为理解作物复杂性状的协同进化提供了经典案例。未来研究可进一步解析PH8与冷响应转录因子（如OsbZIP20/SpBBX18）的互作网络，以及2OGD家族在作物抗逆育种中的普适性应用价值。