耐冷粳稻品种在COG4启动子区（COG4jap）的-317位携带碱基CT，而籼稻中COG4ind在该位点缺失CT。低温条件下，粳稻中OsbZIP23和COG4形成更强的正反馈环，更加有效地防御低温伤害。在长期的进化和人工选择过程中，水稻形成了对低温信号的感知和防御机制，鉴定和解析耐寒优异自然变异模块是分子设计育种的基础。种康院士团队在水稻寒害信号感知与传递中发现了一系列遗传元件，包括COLD1、COLD6、和COLD11（Cell, 2015; Cell Rep, 2021; Sci Adv, 2023; Mol Cell, 2024）；揭示了粳稻中耐寒QTL位点基因COG1、COG2、COG3在粳稻耐寒中的功能（Nat Commun, 2023; Theor Appl Genet, 2023; New Phytol, 2024）。 该团队与中国科学院植物研究所郭亚龙研究员合作，又克隆到耐冷QTL主效基因COG4，发现COG4与OsbZIP23共同调控水稻耐寒性。他们对前期鉴定到的耐冷遗传位点qCTS1-2（Sci Adv, 2023）进行图位克隆，得到该位点的主效基因COG4（编码转录因子ENAC1），并在粳稻品种日本晴中验证了该基因对低温的调控作用。序列比对和群体遗传学分析显示，COG4的启动子–317处存在一个重要的变异位点Var9(CT)，绝大多数粳稻材料在此处含有CT，而籼稻不含这两个碱基。由于Var9(CT)位于转录因子OsbZIP23的结合基序上，在OsbZIP23结合并激活COG4表达的过程中发挥关键作用，从而导致粳稻中COG4对低温的应答高于籼稻。
同时也发现OsbZIP23在籼粳稻中存在明显的分化，在低温胁迫时，粳稻中COG4和OsbZIP23形成更强的正反馈环，直接调控激素信号转导和ROS代谢等寒害防御基因的表达。系统发育和育种应用分析表明，COG4和OsbZIP23在粳稻驯化过程中被人工选择保留，共同调控水稻的耐寒性。这些结果不仅进一步揭示了粳稻耐寒的分子机理，也为水稻耐寒分子设计育种提供了有价值的候选模块。 该研究成果于2024年11月10日发表在国际学术期刊Cell Reports。在读博士生孙慎丽与助理研究员刘栋峰为论文共同第一作者，徐云远研究员与种康院士为共同通讯作者。相关工作得到了中国科学院战略性先导科技专项和NSFC的资助。
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图：COG4-OsbZIP23调控水稻耐寒性模式图
原文链接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)01316-0
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