近日，湖北省农业科学院粮作所与中国农业大学等单位合作完成的水稻孕穗期耐冷基因克隆与进化研究取得新进展，该研究成果文章《Stepwise selection of natural variations at CTB2 and CTB4a improves cold adaptation during domestication of japonica rice》在《New phytologist》（IF：8.51）上全文在线发表（全文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17407）。该研究克隆了一个新的水稻孕穗期耐冷基因CTB2，对CTB2和CTB4a自然变异的逐步选择提高了粳稻的冷适应性，发现耐冷粳稻起源于云南昆明地区，并提出了耐冷粳稻在国内外的传播路经，云南—日本—中国东北地区和朝鲜半岛等。
水稻是一种起源于热带或亚热带的冷敏感作物，在孕穗期遭遇低温会导致水稻不能正常发育而严重减产。该研究利用耐冷近等基因系构建分离群体，在连锁定位的基础上，进一步利用54份粳稻和67份籼稻种质资源的孕穗期耐冷表型进行全基因组关联分析，挖掘到一个新的耐冷基因CTB2。CTB2编码一个葡糖基转移酶，在绒毡层、花粉粒和花药中高表达。在低温胁迫下，CTB2通过影响甾醇糖苷和乙酰化甾醇糖苷的含量，进而维持细胞膜的渗透性，保护花粉粒及花粉外壁结构，最终提高水稻的耐冷性。
CTB4a是该团队之前克隆的重要的水稻孕穗期耐冷基因（Zhang et al.,2017），本研究分析发现野生稻中不含有CTB4a的功能变异，其耐冷等位基因是在冷环境下驯化出的新变异，主要分布在高海拔和高纬度区域；而CTB2存在4种单倍型，其中一种优势单倍型SNP（A）表现强耐冷性，该单倍型起源于中国普通野生稻，在粳稻的冷适应驯化过程中受到了明显的人工选择，逐步扩散到高纬度地区，最后与当地新产生的CTB4a变异一起增强水稻的耐冷性。使得水稻的种植区域从低海拔延扩到高海拔地区，最终扩展到高纬度的中国东北地区，对寒地水稻发展起到了重要作用。
该研究发现在粳稻驯化的过程中，通过对现存变异和新变异的逐步选择可以提高其耐冷性。该研究不仅为水稻耐冷育种提供了重要的基因资源，也为植物适应性进化提供了另一个理论实例。这一研究结果对有效保障水稻遭遇低温或寒地种植条件下高产稳产性、促进水稻进一步向高海拔高纬度地区种植发展、解决我国对稻米日益增长的需求有重要意义。
本文通讯作者为中国农业大学李自超教授和李金杰副教授，第一作者为李继龙博士，我院粮作所周雷博士为共同第一作者，粮作所为参与完成单位。
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