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。植物所种康研究组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；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。
近期，种康研究组与植物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。科研人员对前期鉴定到的耐冷遗传位点qCTS1-2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。通过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，导致粳稻中COG4对低温的应答高于籼稻。同时科研人员也发现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11月10日发表在国际学术期刊Cell Reports。博士研究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国家自然科学基金项目的资助。
原文链接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)01316-0
COG4-OsbZIP23调控水稻耐寒性模式图
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