中国农业大学农学院李金杰、李自超团队揭示水稻CTB6基因通过维持花药绒毡层的发育增强孕穗期耐冷性

近日，Advanced Science在线发表了中国农业大学农学院李金杰/李自超教授团队题为“CTB6 Confers Cold Tolerance at the Booting Stage by Maintaining Tapetum Development in Rice”的研究论文。本研究在水稻孕穗期耐冷QTL qCTB10-2定位基础上，克隆了一个新的孕穗期耐冷基因CTB6 （Cold Tolerance at the Booting Stage 6），并揭示了CTB6通过调节ROS的稳态参与绒毡层PCD，同时CTB6通过影响低温下花药中的脂质含量从而共同调控水稻孕穗期耐冷性的分子机制。

水稻起源于热带和亚热带地区，对低温非常敏感。低温冷害是限制水稻种植分布和产量的重要因素之一。水稻孕穗期遭遇低温冷害会对产量造成不可逆转的损失。因此，开展水稻孕穗期耐冷研究，挖掘关键耐冷基因和筛选耐冷优异自然变异，对于水稻耐冷分子育种具有重要意义。

绒毡层是花药壁内层的分泌细胞，它为小孢子的发育提供必需的营养物质，同时也为花粉外壁的形成提供原料。绒毡层细胞的程序性死亡（programmed cell death, PCD）发生时期十分关键，绒毡层PCD的提前或者延迟都会导致花粉败育。目前研究发现，活性氧、（reactive oxygen species, ROS）内稳态参与调控绒毡层PCD。

植物脂质转运蛋白（lipid transfer proteins, LTPs）是一类小分子碱性蛋白，其广泛参与植物生长发育以及逆境胁迫过程。水稻LTPs在脂类分子运输、花粉外壁组装等过程中发挥重要的功能。但是，到目前为止，还没有LTPs参与调控绒毡层PCD和水稻孕穗期耐冷性的研究报道。

本研究基于前期水稻孕穗期耐冷QTL qCTB10-2 定位基础上，克隆了一个孕穗期耐冷基因CTB6，其编码一个脂质转运蛋白。CTB6在绒毡层和发育早期的小孢子中高表达，正向调控水稻孕穗期耐冷性。

图1. CTB6正向调控水稻孕穗期耐冷性并在绒毡层和发育早期的小孢子中表达

低温胁迫下，CTB6通过调节花药中ROS的稳态保证绒毡层正常的PCD，维持花粉外壁结构和孢粉素沉积，进而在低温胁迫下维持花粉粒正常发育。

图2. CTB6通过调节ROS稳态影响绒毡层PCD

通过一系列生化实验证明，CTB6与过氧化氢酶（catalase, CAT）CATA互作，低温胁迫下，通过维持CATA的稳定性，调节绒毡层细胞ROS的稳态。同时发现CTB6具有蛋白酶抑制剂的活性，可能是维持CATA稳定性的原因。

图3. CTB6维持CATA的稳定性

通过脂质结合实验，证明CTB6具有结合脂质分子的能力，并能够与一些磷脂酸分子结合。OsC6作为一个脂质转运蛋白参与脂类分子的运输，蛋白互作实验证明，CTB6与OsC6互作，暗示了CTB6可能协助OsC6携带更多的脂类分子从绒毡层向花粉壁运输。

图4. CTB6与OsC6互作并具有结合脂质分子的能力

通过单倍型分析和启动子活性检测，发现Hap1-K为CTB6的优异单倍型，且CTB6耐冷自然变异位点位于启动子区。核苷酸多样性分析结果表明，CTB6在温带粳稻中受到正向选择。地理分布显示，CTB6的Hap1-K类型材料主要分布在中国的云贵高原地区，暗示了CTB6的有利变异可能促进了粳稻对高寒稻作区的低温适应性。

图5. CTB6的有利变异可能促进粳稻对高寒稻区的低温适应性

本研究揭示了一个新的水稻孕穗期耐冷调控机制，证明了CTB6通过调节ROS的稳态参与绒毡层发育，同时CTB6还影响低温下花药中的脂质含量从而共同调控水稻孕穗期耐冷性。CTB6作为一个脂质转运蛋白不仅具有脂质结合的能力，还具有蛋白酶抑制剂的活性，拓宽了脂质转运蛋白在水稻生长发育过程中的生物学功能。此外，CTB6启动子区的耐冷功能变异位点为水稻耐冷分子设计育种提供了新的靶位点。

中国农业大学博士研究生高石磊、中国农业大学已毕业博士李劲和云南省农业科学院曾亚文研究员为论文的第一作者。中国农业大学农学院李金杰教授和李自超教授为论文的通讯作者。研究工作还得到黑龙江省农业科学院马文东研究员、郭震华副研究员和云南省农业科学院袁平荣研究员、郭咏梅研究员和李华慧副研究员的大力支持。该研究得到了农业生物育种国家科技重大专项、云南省科技厅基础研究专项重点项目和国家自然科学基金的资助。