(相關(guān)資料圖)
水稻是我國最重要的糧食作物，但對(duì)冷脅迫非常敏感。水稻苗期遇到低溫天氣后，稻苗會(huì)發(fā)生生長遲緩、黃化、發(fā)育不良、枯萎甚至死亡，嚴(yán)重影響水稻生長發(fā)育與產(chǎn)量。提高水稻苗期的冷脅迫抗性，對(duì)于減少水稻苗期冷害損失、推廣水稻直播種植等均具有重要意義，然而目前對(duì)于水稻冷脅迫后的轉(zhuǎn)錄調(diào)控響應(yīng)機(jī)制仍不清楚。
近期，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊(duì)在水稻冷脅迫響應(yīng)調(diào)控機(jī)制上取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)在此前構(gòu)建的水稻突變體庫中發(fā)現(xiàn)一個(gè)苗期冷敏感的突變體，并鑒定到是由于OSMOTIC STRESS/ABA-ACTIVATED PROTEIN KINASE 6（OsSAPK6）的提前終止導(dǎo)致水稻冷敏感的表型，同時(shí)OsSAPK6的過表達(dá)材料表現(xiàn)出了苗期抗冷的表型。為鑒定OsSAPK6的底物，利用GFP-OsSAPK6進(jìn)行了免疫沉淀-質(zhì)譜聯(lián)用(IP-MS)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)IPA1（Ideal Plant Architecture 1）在候選蛋白中多次出現(xiàn)。IPA1是此前李家洋團(tuán)隊(duì)鑒定到的一個(gè)水稻株型調(diào)控的主效基因（Jiao et al., 2010）。該研究發(fā)現(xiàn)OsSAPK6能夠與IPA1發(fā)生蛋白互作，并在S201和S213位點(diǎn)對(duì)IPA1進(jìn)行磷酸化修飾，進(jìn)而穩(wěn)定IPA1蛋白。隨后的研究表明，IPA1的S213位點(diǎn)的磷酸化對(duì)于其抗冷的表型具有關(guān)鍵作用，將213位點(diǎn)的絲氨酸突變成無法被磷酸化的天冬酰胺后，ipa1S213N突變體表現(xiàn)出了冷敏感的表型。通過RNA-seq發(fā)現(xiàn)，OsCBF3基因在ipa1-3D gain-of-function突變體中的冷誘導(dǎo)表達(dá)明顯增強(qiáng)，而在ipa1-10 loss-of-function突變體中冷誘導(dǎo)表達(dá)明顯減弱，且IPA1能夠直接結(jié)合OsCBF3啟動(dòng)子區(qū)的GTAC motif激活其基因表達(dá)。遺傳與生化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，OsSAPK6、IPA1與OsCBF3在同一途徑中調(diào)控水稻的冷響應(yīng)，冷脅迫后OsSAPK6能夠磷酸化IPA1蛋白，使得IPA1蛋白積累并激活下游OsCBF3的表達(dá)，增強(qiáng)水稻冷脅迫抗性。ipa1-2D是此前鑒定到的一個(gè)IPA1優(yōu)異等位基因型，在高產(chǎn)水稻品種培育中被廣泛使用（Zhang et al., 2017）。研究表明，攜帶ipa1-2D的近等基因系與對(duì)照相比，具有更強(qiáng)的苗期耐冷性，兼具高產(chǎn)與抗冷。綜上，該項(xiàng)成果闡明了OsSAPK6-IPA1-OsCBF調(diào)控水稻冷脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制，為創(chuàng)制高產(chǎn)耐冷水稻品種提供了新的分子機(jī)制與遺傳資源。
2022年7月26日，Cell Discovery在線發(fā)表了題目為“Chilling-induced phosphorylation of IPA1 by OsSAPK6 activates chilling tolerance responses in rice”的研究論文（DOI: 10.1038/s41421-022-00413-2），報(bào)道了這一成果。中科院遺傳發(fā)育所李家洋研究組賈美茹博士為該論文的第一作者，余泓研究員為通訊作者。論文得到國家自然科學(xué)基金委，中科院先導(dǎo)專項(xiàng)，國家水稻產(chǎn)業(yè)體系等項(xiàng)目資助。
圖：OsSAPK6-IPA1-OsCBF介導(dǎo)的水稻冷脅迫響應(yīng)調(diào)控機(jī)制
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