東北地理所在OsWRKY53負調控水稻孕穗期耐冷性的機制研究方面取得新進展
水稻起源于熱帶地區，屬于低溫敏感作物，低溫嚴重限制水稻在高緯度、高海拔地區的種植。我國平均每4到5年就會發生一次大規模的冷害，孕穗期冷害每年造成水稻減產約為300萬到500萬噸。黑龍江省是我國優質水稻的主產區，但該地區水稻孕穗期冷害頻繁發生，孕穗期耐冷性和稻瘟病抗性一樣，是黑龍江省水稻品種審定的必須前提。解決水稻孕穗期冷害問題對于保證我國糧食安全，具有十分重要的現實意義。然而，目前已報道的孕穗期耐冷調控基因，需要過表達來提高孕穗期耐冷性或存在生長缺陷的表型，這限制了它們在育種上的應用。因此，有必要去分離新的孕穗期耐冷基因并應用于孕穗期耐冷品種選育。
近日，東北地理所水稻分子育種學科組卜慶云研究員團隊在國際學術期刊The Plant Cell上在線發表了題為“WRKY53 negatively regulates rice cold tolerance at the booting stage by fine-tuning anther gibberellin levels”的研究論文，該研究發現水稻轉錄因子OsWRKY53通過負調控花藥GA含量，來調控水稻孕穗期耐冷性。
該團隊在研究中發現OsWRKY53受孕穗期低溫誘導上調表達，OsWRKY53-OE表現為花粉育性差、結實率低，而oswrky53突變體在孕穗期低溫脅迫后，相比于野生型植株結實率高、花粉活力強，這表明OsWRKY53可以負調控水稻孕穗期耐冷性。
進一步研究發現，低溫脅迫后oswrky53突變體花藥中GA含量顯著高于野生型，且oswrky53突變體植株中GA生物合成基因（OsGA20ox1、OsGA20ox3、OsGA3ox1）表達量顯著高于野生型。生化實驗表明OsWRKY53能夠直接結合并抑制這些GA生物合成基因的表達。遺傳學實驗也進一步證明OsWRKY53在調控水稻孕穗期耐冷性上位于GA生物合成基因的上游。以上結果表明，OsWRKY53通過抑制GA生物合成基因的表達來調控花藥GA含量，負調控水稻孕穗期耐冷性。
此外，研究發現，GA信號途徑負調控因子OsSLR1可以與調控絨氈層發育的轉錄因子OsUDT1/OsTDR互作，并抑制后者的轉錄活性；而GA可以解除OsSLR1對OsUDT1/OsTDR的抑制，來提高絨氈層發育相關基因的表達，從而正調控水稻的育性。
重要的是，oswrky53突變體在正常條件下不影響水稻的產量，但在低溫脅迫后產量會顯著高于野生型對照。同時，在黑龍江省主栽品種稻花香2號和龍稻16號背景中，敲除OsWRKY53基因均可以顯著提高孕穗期耐冷性，說明OsWRKY53是一個具有重要潛在應用價值的孕穗期耐冷基因。
該研究揭示了OsWRKY53轉錄抑制GA生物合成基因來調控花藥中GA含量，從而負調控水稻孕穗期耐冷性；GA通過解除OsSLR1對OsUDT1/OsTDR的抑制，來調控水稻育性；不同優良品種背景下oswrky53水稻材料孕穗期耐冷性顯著提高，且低溫脅迫條件下oswrky53突變體植株產量顯著高于對照。該研究為水稻孕穗期耐冷分子育種提供有價值的位點。
有趣的是，該團隊在前期的工作中發現，OsWRKY53是水稻BR信號的正調控因子，oswrky53突變體株型緊湊、直立，雖然由于粒型變小導致了千粒重的下降，但是分蘗數顯著增加，最終使單株產量與野生型無異。此外，其它研究團隊也有報道oswrky53突變體植株能夠提高水稻白葉枯病、紋枯病及二化螟的抗性。這些結果暗示著oswrky53水稻材料在不同生物及非生物脅迫下可能有著潛在的育種應用價值。在未來，我們將在不同主栽品種背景下獲得oswrky53水稻材料，綜合評價其田間表現。
中科院東北地理與農業生態研究所特別研究助理唐佳琦與副研究員田曉杰為該論文第一作者，卜慶云研究員為通訊作者。南京農業大學趙志剛教授、王春明教授，東北林業大學管清杰副教授也參與了該項目的研究。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、中國科學院戰略重點研究計劃聯合資助。
論文信息如下：
Jiaqi Tang#, Xiaojie Tian#, Enyang Mei, Mingliang He, Junwen Gao, Jun Yu, Min Xu, Jiali Liu, Lu Song, Xiufeng Li, Zhenyu Wang, Qingjie Guan, Zhigang Zhao, Chunming Wang, Qingyun Bu*. (2022). WRKY53 negatively regulates rice cold tolerance at the booting stage by fine-tuning anther gibberellin levels, The Plant Cell.
https://doi.org/10.1093/plcell/koac253
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