水稻转座子插入多态性泛基因组分析揭示冷胁迫耐受性的表观遗传调控新机制

研究人员针对水稻冷胁迫耐受性机制不明的问题，通过构建泛基因组图谱分析30,316个转座子插入多态性（TIP）位点，发现转座子通过H3K27me3表观修饰调控26,914个冷响应基因，鉴定出OsCACT和OsPTR两个关键基因通过脂肪酸代谢和抗氧化途径增强耐寒性，为分子育种提供新靶点。

作为全球最重要的主粮作物之一，水稻(Oryza sativa L.)的产量稳定性直接关系到粮食安全。然而低温胁迫导致的水稻减产问题长期困扰农业生产，特别是在高海拔和温带地区。传统育种虽已鉴定出COLD1、OsCNGC9等冷响应基因，但对转座元件(TE)这类"基因组暗物质"在环境适应性中的作用仍知之甚少。

广西大学（第一作者Yongqing Qian所属单位）的研究团队在《Nature Communications》发表的研究突破了这一局限。通过整合纳米孔长读长测序和Illumina短读长技术，研究人员对10个地理来源多样的水稻品种进行从头组装，结合已发表的MH63基因组构建了首个水稻泛基因组图谱。该研究创新性地聚焦转座子插入多态性(pTE)，揭示了这类"基因组跳跃因子"如何通过表观遗传重编程调控作物抗逆性的分子机制。

关键技术包括：(1)采用ONT(Oxford Nanopore Technologies)和Illumina双平台测序完成10个水稻品种的T2T(端粒到端粒)组装；(2)基于142,909个TE序列构建泛TE数据库；(3)对165份水稻材料的重测序数据进行TIP-GWAS分析；(4)结合ChIP-seq和BS-seq解析H3K27me3修饰模式；(5)通过CRISPR/Cas9基因编辑和代谢组学验证基因功能。

De novo组装与注释

研究获得10个高质量基因组(373-394Mb)，BUSCO完整性达98.7%，LAI指数超过20的"黄金标准"。比较基因组学发现粳稻第6号染色体存在特异性倒位，转座子注释显示Gypsy(49.17%)和DNA转座子(27.60-30.85%)为主要类型。

群体结构与表观特征

30,316个TIP位点中，39%基因(15,440个)受pTE调控。MITEs偏好插入基因侧翼区域，而粳稻品种的pTE固定率更高。H3K27me3在pTE区域富集程度比保守TE(cTE)高2.3倍，这种表观差异与冷胁迫下的基因沉默显著相关。

冷响应调控网络

转录组分析发现26,914个TE在冷胁迫下被激活，与11,191个基因形成共表达网络。其中762个TE可能通过产生lncRNA调控靶基因，如TFIIIA型锌指蛋白基因OsMH_03G0586900的表达受上游184bp插入序列调控。

关键基因功能验证

TIP-GWAS鉴定到OsCACT(肉碱酰基转移酶)和OsPTR(肽转运蛋白)两个新基因。粳稻OsCACT下游90bp MITE/Stowaway缺失导致DNA甲基化水平升高(>80%)，通过调控肉碱代谢增强抗氧化能力；而OsPTR内含子7,734bp插入产生可变剪接体。基因编辑实验证实，OsCACT过表达株系在4℃处理5天后存活率提升3倍，MDA含量降低42%，电解质泄漏减少58%。

该研究首次系统阐释了转座子通过"表观遗传-转录调控-代谢重塑"三级网络调控水稻冷胁迫响应的分子机制。发现的30,316个TIP位点为分子标记开发提供资源库，而OsCACT/OsPTR等靶点可通过基因编辑快速应用于育种实践。建立的Rice pTE数据库(https://cbi.gxu.edu.cn/RICEPTEDB/)将推动作物表观基因组学研究，为应对气候变化下的粮食安全挑战提供新策略。