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基本信息

主題：無損“電生理”鈣流為揭示水稻感知寒害的分子機制提供直接證據(jù)

期刊：Cell

影響因子：38.637

研究使用平臺：NMT溫度脅迫創(chuàng)新科研平臺

標題：COLD1 Confers Chilling Tolerance in Rice

作者：中科院植物所種康、馬云

檢測離子/分子指標

Ca²⁺

檢測樣品

3日齡水稻根

摘要

水稻對低溫敏感，所以只能在某些氣候帶種植。人類對粳稻（japonica rice）的選擇已將其生長區(qū)域擴展到溫度較低的地區(qū)，而這種適應性的分子機制仍然未知。本研究鑒定了讓粳稻具備耐寒性的定量性狀位點COLD1。過表達COLD1^jap顯著增強了植物的耐寒性，而COLD1^jap缺失或下調(diào)的水稻株系對低溫敏感。COLD1編碼一個定位在質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）上的G-蛋白信號調(diào)節(jié)器。它與G蛋白α亞基相互作用，激活感知低溫的Ca²⁺通道，加速G蛋白GTPase的活性。研究進一步確定COLD1中的一個SNP2來源于中國野生稻（Oryza rufipogon），是COLD^jap/ind具備耐寒能力的原因。

離子/分子流實驗處理方法

0℃實時處理

離子/分子流實驗結果

采用NMT技術對水稻根系進行了冷激/冷休克（cold shock）下Ca²⁺流速的研究。在低溫刺激下，野生型Dongjin水稻根中有大量細胞外Ca²⁺內(nèi)流，并出現(xiàn)負峰（圖1A）。相比之下，cold1-1在相同條件下，NMT信號無明顯變化。與野生型ZH10水稻相比，COLD1^jap轉基因株系在低溫處理下Ca²⁺內(nèi)流更顯著，但COLD1^ind轉基因株系則不太明顯（圖1B）。與indica 93-11相比，Nipponbare的反應更強烈（圖1C）。此外，RGA1突變體d1比野生型Shiokari的Ca²⁺內(nèi)流速率更低。cold1-1或轉基因株系與野生型之間在冷激后的平均大內(nèi)流速率有顯著差異（圖1D）。

圖1. 在不同遺傳背景的根系中，低溫脅迫會使細胞外Ca²⁺內(nèi)流

其他實驗結果

• 對低溫耐受型Nipponbare（粳稻）與低溫敏感型93-11（秈稻）品種雜交產(chǎn)生的重組自交系（RILs）進行QTL分析。利用151個RILs，檢測到5個QTL，分別位于第1、2、4、8染色體上。COLD1位點與其他耐冷QTL的互作性遠低于其他位點。

• 為了評價Nipponbare（NIP)位點COLD1^NIP是否有助于耐寒性，研究在93-11遺傳背景下產(chǎn)生了3個含有COLD1^NIP位點的近等基因系（NILs）。COLD1^NIP/NIP純合株系NIL4-1和NIL4-6的耐寒性顯著高于93-11。

• 所有粳稻品種和2個野生稻品種的耐寒性均強于所有秈稻品種。所有具有耐寒性的品種（20個粳稻栽培品種和2個野生稻品種）都與缺乏低溫耐受性的秈稻栽培品種存在第四外顯子（SNP2）的SNP差異。

• SNP2引起編碼氨基酸的改變，是粳稻具有耐寒性的原因。

• COLD1功能性SNP2上的位點A與栽培稻的耐寒性發(fā)育有關，可能是在粳稻馴化過程中篩選到的保存在中國稻群中的古老等位基因。

• COLD1主要定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜上。

• 在植物細胞中，COLD1可以與rice G-protein a subunit 1（RGA1）發(fā)生物理作用。

• 生化活性測定結果顯示，RGA1代替COLD1單*有GTPase活性，并且依賴于反應中Mg²⁺濃度。

• 與野生型Shiokari相比，RGA1突變體d1對低溫存活的敏感性顯著提高。

• 低溫處理后，與單獨表達相比，COLD1^jap和RGA1共表達的細胞內(nèi)向電流明顯激活。

• 在Ca²⁺存在下，低溫刺激的內(nèi)向電流信號依賴于COLD1和RGA1之間的相互作用。

• 無論是細胞外Ca²⁺內(nèi)流還是細胞質(zhì)凈[Ca²⁺]_cyt信號的研究結果都與COLD1對水稻冷激依賴的胞內(nèi)Ca²⁺變化至關重要的觀點一致。

結論

COLD1通過調(diào)節(jié)G蛋白信號來賦予水稻耐冷性，而COLD1中的SNP則是粳稻對冷環(huán)境適應的基礎。