低温严重限制了玉米的生长、产量和地理分布。玉米如何适应寒冷气候仍不清楚。
2025年1月21日，中国农业大学杨淑华团队在Cell在线发表题为“A natural variant of COOL1 gene enhances cold tolerance for high-latitude adaptation in maize”的研究论文，该研究通过全基因组关联研究确定了一个基本的螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子，COLD-RESPONSIVE OPERATION LOCUS 1 (COOL1)，作为玉米耐冷性的关键调节因子。
COOL1启动子的天然变异影响伸长的下胚轴5 (HY5)的结合亲和力，HY5是一种抑制COOL1转录的转录因子。反过来，COOL1负调节下游冷反应基因，从而调节耐寒性。此外，钙依赖性蛋白激酶CPK17易位至细胞核并在冷应激反应中稳定COOL1。有趣的是，COOL1的耐寒等位基因主要分布在气候寒冷的北部高纬度地区。这项研究定义了一个以前未知的途径，通过该途径，COOL1中心模块调节玉米高纬度适应的耐冷性。
全球气候变化对农业产生了深远的影响，气温波动变得更加频繁和剧烈，严重影响了作物的生长、发育和产量。提高作物对温度胁迫的适应性对于确保粮食安全和促进可持续农业至关重要。玉米(Zea mays L .)原产于热带和亚热带地区，对冷胁迫高度敏感，限制了其在高纬度和高海拔地区的种植。生长早期的低温会降低玉米活力和整体生产力。因此，提高玉米的耐寒性并将优质品种推广到北方地区对于粮食安全和适应气候挑战至关重要。大约9000年前，在墨西哥西南部的野生低地，玉米被首次驯化。随后与高地玉米混合。墨西哥显著塑造了现代玉米种群。玉米起源于热带，在前哥伦布时代之前就传播到了温带地区，现在在从南纬40°至北纬58°的广阔纬度范围内都有种植。玉米的广泛分布不仅需要调整开花时间，还需要承受较高纬度和海拔地区特有的较低温度的能力。虽然在鉴定负责玉米开花时间适应的关键基因方面已经取得了重大进展，例如CONSTANS、CONSTANS-LIKE、TOC1 (CCT)基因CCT9和CCT10、Zea CENTRORADIALIS 8 (ZCN8)、FLAVIN-BINDING、KELCH REPEAT,、F-BOX 1 (FKF1)和MADS-box基因MADS69，，但人们对玉米适应高纬度和高海拔低温的遗传和分子机制的理解仍然难以捉摸。在这项研究中，作者对来自温带和热带/亚热带(TST)地区的205个玉米自交系进行了GWAS，鉴定了COOL1，该位点编码负调节耐冷性的基本螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子。COOL1启动子中的天然变体通过改变与bZIP转录因子的结合来影响其表达，如延长的下胚轴5 (HY5)。进一步的研究表明，COOL1的稳定性受钙依赖性蛋白激酶17 (CPK17)介导的磷酸化作用控制。值得注意的是，群体遗传学分析表明，耐寒的COOL1等位基因有助于玉米适应更高的纬度，强调了它在玉米适应寒冷气候中的关键作用。该研究首次揭示了玉米适应高纬度低温环境的分子机制，发现玉米COOL1基因的自然变异通过增强低温耐受性，促进其适应高纬度环境。这一发现弥补了关于玉米适应高纬度低温环境的知识空白，并为高纬度地区玉米的种植提供了新的分子育种策略。中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室的杨淑华教授是该论文的通讯作者，博士后曾榕和施怡婷教授为论文的第一作者。中国农业大学田丰教授对该研究工作提供了大力的指导和帮助，提出了宝贵的意见和材料支持，杨小红教授、巩志忠教授以及中国科学院遗传与发育生物学研究所左建儒研究员也为该研究提供了重要的材料及建设性的意见。同时，张晓燕副教授、郭丽博士、李卓洋博士、傅迪毅博士、博士生李岷泽以及作物功能基因组学与分子育种研究中心的庄军红也参与了这一项研究工作。中国农业大学作物功能基因组学与分子育种研究中心为该研究提供了遗传转化服务和重要的转基因材料，为项目的顺利推进奠定了坚实的基础。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的资助。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adl5800
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