揭秘水稻耐低溫奧秘：ABA信號通路助力“中花11”超越“Kasalath”

研究背景

隨著氣候變化的影響逐漸加劇，全球范圍內(nèi)極端氣候事件頻繁發(fā)生，水稻等重要作物在寒冷環(huán)境中的生長受到嚴重威脅。低溫是限制水稻產(chǎn)量和分布的關(guān)鍵環(huán)境因素之一，尤其是對于亞洲大部分水稻種植區(qū)。因此，如何提升水稻對寒冷的耐受性，一直是農(nóng)業(yè)科研的重點課題之一。

脫落酸（ABA）作為植物在應(yīng)對環(huán)境脅迫時的重要激素，已被證明在多種植物對寒冷等環(huán)境脅迫的適應(yīng)中發(fā)揮著核心作用。ABA通過調(diào)節(jié)多種生理反應(yīng)，如膜穩(wěn)定性、氣孔調(diào)節(jié)、抗氧化防御等，幫助植物維持細胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，從而提高其耐低溫性。然而，不同水稻耐低溫性的品種在ABA信號通路的反應(yīng)上存在顯著差異，如何利用這一差異來提高水稻的耐低溫性，是當前研究的一個重要方向。

文章介紹

2025年1月3日，湖南農(nóng)業(yè)大學劉次桃團隊在《Theoretical and Applied Genetics》期刊上發(fā)表了題為《Unlocking ABA's role in rice cold tolerance: Insights from Zhonghua 11 and Kasalath》的研究論文，全面揭示了脫落酸ABA信號通路在水稻耐低溫中的關(guān)鍵作用。這項研究不僅深入解析了水稻在低溫脅迫下的分子反應(yīng)機制，還為寒冷地區(qū)水稻品種的育種提供了寶貴的理論支持。?? ?

研究結(jié)果

1、ZH11的ABA調(diào)節(jié)效率更高

低溫條件下，植物通過提高內(nèi)源ABA水平增強耐低溫性，但耐低溫和不耐低溫品種的ABA響應(yīng)存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)，耐低溫水稻品種ZH11在正常條件下的ABA水平高于不耐低溫品種Kasalath（圖1a-b）。在冷脅迫初期（0-6小時），兩者ABA水平均上升，但ZH11的積累速度更快，表明其冷脅迫響應(yīng)效率更高（圖1a-b）。

ABA在脅迫中的作用具有雙重性：適量促進響應(yīng)，過量則影響生長。因此，ABA水平的反饋調(diào)節(jié)至關(guān)重要。耐低溫品種ABA水平通常早期達到峰值并逐漸下降，而不耐低溫品種則持續(xù)積累。在本研究中，ZH11的ABA水平在12小時后下降，而Kasalath則繼續(xù)上升。脅迫結(jié)束時，ZH11的ABA水平低于Kasalath，表明受控的ABA下降有助于植物恢復(fù)（圖1a-b）。

外源ABA處理也表現(xiàn)出差異：50-150 mM ABA顯著提高了兩種品種的耐低溫性（圖1c-f）。但在200 mM處理下，ZH11的耐低溫性進一步增強，而Kasalath未顯示明顯變化（圖1c-e）。這表明耐低溫品種通過更高效的ABA信號網(wǎng)絡(luò)，更有效利用外源ABA應(yīng)對脅迫。

耐低溫品種ZH11通過增強ABA敏感性、優(yōu)化信號傳導(dǎo)和代謝調(diào)控，更高效維持適宜的ABA水平，從而增強冷脅迫耐受性。?? ?

圖1. 外施ABA對Kasalth和ZH11耐冷性的影響

2.?ABA代謝與合成基因在植物耐低溫中的關(guān)鍵作用

ABA的合成與代謝決定了植物中ABA的含量變化，進而快速調(diào)控ABA信號，幫助植物應(yīng)對逆境和調(diào)節(jié)生長發(fā)育。在低溫脅迫下，ABA合成基因被激活，ABA濃度升高，啟動耐低溫的防御機制。當?shù)蜏孛{迫減輕時，ABA降解機制恢復(fù)正常，避免ABA過度積累。通過這種合成與降解的平衡，植物能夠在低溫環(huán)境中生存并維持正常的生長發(fā)育功能。

本研究發(fā)現(xiàn)，ABA合成關(guān)鍵基因在低溫脅迫中的表達也存在顯著差異。在低溫處理6小時后，Kasalath僅有OsNCED3基因上調(diào)，而ZH11中，所有的ABA合成基因均顯著上調(diào)，特別是OsNCED5，其在12 h內(nèi)增加了33倍（圖2a-b）。這表明OsNCED5在耐低溫過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。?? ?

同時， ABA代謝基因OsABA8ox1在耐低溫品種ZH11中，在低溫脅迫1小時內(nèi)表達量增加了231倍，而在低溫敏感品種Kasalath中，6 h時僅增加75倍，但12小時時仍上調(diào)至150.7倍（圖2a-b）。這表明ABA代謝在耐低溫性中起到重要作用。

植物的抗寒性由ABA的合成與降解共同調(diào)控，這兩者的平衡對植物生長發(fā)育以及應(yīng)對環(huán)境脅迫至關(guān)重要。

圖2. Kasalth和ZH11中ABA合成和代謝基因響應(yīng)低溫逆境表達模式

3.?OsWRKY71是OsABA8ox1的關(guān)鍵上游調(diào)控因子

OsABA8ox1在耐低溫品種ZH11和低溫敏感品種Kasalath中的響應(yīng)效應(yīng)存在顯著差異，表明其在兩個品種中響應(yīng)低溫的機制有所不同。作者通過對OsABA8ox1的等位基因差異進行分析，發(fā)現(xiàn)其編碼區(qū)和啟動子區(qū)域均未存在等位變異。這說明，OsABA8ox1的上游調(diào)控因子在不同品種中起到了關(guān)鍵作用，決定了其功能差異。

進一步的生物信息學分析和低溫脅迫誘導(dǎo)表達分析顯示，轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY71是OsABA8ox1的主要上游調(diào)控因子（圖3a-d）。通過單倍型分析，在202份水稻核心種質(zhì)資源群體中發(fā)現(xiàn)，低溫敏感品種主要攜帶OsWRKY71Ka單倍型，而耐低溫品種主要攜帶OsWRKY71ZH11單倍型（圖3e-g）。?? ?

在體外電泳遷移率分析（EMSA）實驗中，OsWRKY71Ka和OsWRKY71ZH11均能夠結(jié)合OsABA8ox1的啟動子區(qū)域（圖5h）。然而，在雙熒光素酶報告基因（Dual-LUC）實驗中，僅OsWRKY71ZH11能夠抑制OsABA8ox1的表達，而OsWRKY71Ka未顯示出抑制作用（圖3i-j）。

這些研究結(jié)果表明，OsWRKY71ZH11通過抑制OsABA8ox1的表達增強了ZH11的耐低溫性，且該等位基因與耐低溫性密切相關(guān)。而OsWRKY71Ka等位基因則未能發(fā)揮類似功能，與低溫敏感性相關(guān)聯(lián)。這一發(fā)現(xiàn)為理解不同品種的耐低溫機制提供了新的視角，也為培育耐低溫水稻品種提供了潛在的分子靶點。

圖3. OsWRKY71ZH11抑制OsABA8ox1的表達

4、OsWRKY71ZH11通過調(diào)控ABA代謝增強水稻耐低溫性?? ?

轉(zhuǎn)基因?qū)嶒灲Y(jié)果顯示，OsWRKY71ZH11過表達株系能夠通過抑制ABA代謝基因OsABA8ox1的表達（圖4e），從而降低低溫條件下植株體內(nèi)的ABA含量（圖4f）。這一機制有效維持了植株在低溫下較低的ABA水平，顯著提高了水稻的低溫存活率（圖4b、d）。

相比之下，OsWRKY71Ka過表達株系并未改變OsABA8ox1的表達量，也未對ABA含量及水稻的低溫耐受性產(chǎn)生影響（圖4a，c-f）。這些結(jié)果表明，OsWRKY71ZH11通過抑制OsABA8ox1的表達，調(diào)控ABA代謝，從而增強了水稻的耐低溫性。?? ?

圖4.?OsWRKY71ZH11提高水稻耐低溫，?OsWRKY71Ka不改變水稻耐低溫性

5、OsbZIP73-OsNCED5協(xié)同調(diào)控水稻耐低溫

研究表明，OsNCED5在水稻品種ZH11與Kasalath的耐低溫響應(yīng)中發(fā)揮了重要作用（圖2）。對202份水稻核心種質(zhì)群體的等位基因和單倍型分析發(fā)現(xiàn)，OsNCED5形成了兩個主要單倍型：以Kasalath為代表的OsNCED5Ka單倍型與低溫敏感性相關(guān)，而以ZH11為代表的OsNCED5ZH11單倍型則與耐低溫性相關(guān)（圖5a-b）。? ??

進一步的生物信息學分析和低溫脅迫誘導(dǎo)表達分析顯示，bZIP轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP73是OsNCED5的主要上游調(diào)控因子（圖5a-d）。分析還發(fā)現(xiàn)，OsbZIP73在ZH11和Kasalath之間存在等位基因變異（+511 G>A）（圖5d，g）。在對202份水稻核心種質(zhì)的單倍型分析中，OsbZIP73Ind單倍型（Kasalath型）與低溫敏感性相關(guān)，而OsbZIP73Jap單倍型（ZH11型）與耐低溫性相關(guān)（圖5b，d）。

雙熒光素酶報告基因（Dual-LUC）實驗進一步表明，OsbZIP73Jap抑制了OsNCED5ZH11的表達，而OsbZIP73Ind則促進了OsNCED5Ka的表達（圖5k）。這一結(jié)果揭示了OsbZIP73-OsNCED5協(xié)同調(diào)控水稻耐低溫性的機制，為耐寒性水稻品種的育種提供了新的分子靶點。

圖5. OsbZIP73是OsNCED5的上游調(diào)控因子

6、ABA信號通路在Kasalath與ZH11中的小結(jié)

本研究揭示了轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP73和OsWRKY71在低溫脅迫下對ABA合成與代謝的差異性調(diào)控機制。Kasalath，在低溫條件下，OsbZIP73Ind激活A(yù)BA合成基因OsNCED5Ka的表達，而OsWRKY71Ka未能有效抑制ABA代謝基因OsABA8ox1的表達，導(dǎo)致ABA過度積累。這種失衡使Kasalath在低溫下表現(xiàn)出較弱的耐冷性。相比之下，ZH11中OsbZIP73Jap抑制了ABA合成基因OsNCED5ZH11的表達，而OsWRKY71ZH11有效抑制了ABA代謝基因OsABA8ox1的表達，從而維持了ABA的穩(wěn)態(tài)（圖6）。這種精準的調(diào)控機制幫助ZH11在低溫脅迫下快速響應(yīng)并增強耐冷性。

這一調(diào)控差異清楚地解釋了ZH11與Kasalath在低溫脅迫下的耐寒性強弱差異，為深入理解水稻ABA信號通路與抗寒性之間的關(guān)系提供了新視角。?? ?

圖6. ABA信號通路在Kasalath與ZH11中小結(jié)? ? ? ? ? ?