水稻孕穗期耐冷基因的克隆及功能研究

Rice (Oryza sativa L.) is a staple food crop feeding over one-half of the world population. Low temperature is the major factor limiting rice productivity. Cold stress at booting stage will cause irreparable losses in rice production as it causes spikelet sterility. Therefore, improving cold tolerance at the booting stage is one of the most important tasks for rice breeders, and it would be beneficial to develop cold-tolerant rice varieties using genes derived from existing germplasm resources. However, the molecular mechanism of affecting cold tolerance at booting stage remains poorly understood. To identify factors of regulating cold tolerance at booting stage, we generated an ethyl methanesulfonate-induced mutant library in Kongyu131 (Ky131), a cold-tolerant cultivar, and screened for cold-susceptible mutants. The key genes of regulating cold tolerance will be cloned through molecular genetics tools and MutMap. Then, we will elucidate the molecular mechanism and regulatory network of cold-tolerant genes and explore excellent natural variation by various biological methods. Our study will provide the genetic resource and theoretical base for crop domestication and future molecular breeding in crops.

水稻是最重要的粮食作物之一，世界上超过一半的人口以水稻为主食。低温冷害一直是影响水稻产量的重要限制因素之一。特别是水稻孕穗期的障碍型冷害，发生于生长后期，一旦遭受即会造成无法挽救的损失。因此，发掘优异的水稻耐冷基因并探明其耐冷分子机制是解决冷害的重要途径。但是，目前关于水稻耐冷分子机制的研究非常有限。本项目以孕穗期耐冷品种空育131为研究对象，通过EMS诱变，筛选孕穗期耐冷能力下降的株系。通过构建遗传群体并结合MutMap分析，克隆控制水稻耐冷的关键基因，挖掘优异的自然变异。我们拟运用遗传学、细胞生物学、分子生物学、生物化学以及多种组学等手段，探索耐冷基因响应低温胁迫的分子机制和调控网络。我们的研究成果将为水稻孕穗期障碍型冷害的防御和品种改良提供基因资源和理论指导。

水稻是最重要的粮食作物之一，世界上超过一半的人口以水稻为主食。低温冷害一直是影响水稻产量的重要限制因素之一。特别是水稻孕穗期的障碍型冷害，发生于生长后期，一旦遭受即会造成无法挽救的损失。因此，发掘水稻孕穗期耐冷调控基因并探明其调控孕穗期耐冷性的分子机制是解决水稻低温冷害的重要途径。但是，目前关于水稻耐冷分子机制的研究非常有限。本项目以孕穗期耐冷水稻品种空育131为研究对象，通过EMS诱变筛选到了孕穗期耐冷能力下降的突变体ctb17。通过构建遗传群体并结合MutMap分析，克隆到了调控水稻孕穗期耐冷性的关键基因CTB17。该基因编码一个羧肽酶，参与了多肽或蛋白质的加工成熟过程。通过小肽组我们鉴定到了一个CTB17可能的底物小肽PEP1，通过体外生化实验我们证实CTB17可以切割PEP1前体C端的精氨酸，从而将PEP1前体加工为成熟的PEP1。CTB17调控水稻孕穗期耐冷性依赖于其羧肽酶的酶活，酶活丧失的CTB17点突变与其敲除突变体类似，均表现出孕穗期不耐冷的表型。我们通过CRISPR/Cas9技术获得了pep1敲除突变体，通过表型观察我们发现pep1突变体表现出与ctb17突变体相似的孕穗期不耐冷的表型，说明CTB17通过加工PEP1调控水稻孕穗期耐冷性。本研究发现了调控水稻孕穗期耐冷性的新通路，证明了小肽信号在水稻冷响应过程中的重要性。为培育孕穗期耐冷的水稻品种以及提高水稻孕穗期耐冷性提供了理论基础。.