揭开北方粳稻低温适应性之谜

中国网/中国发展门户网讯 水稻最初起源于我国南方亚热带地区，亚洲栽培稻有籼稻和粳稻两个亚种，籼稻具有耐热的特性，主要分布在我国南方和南亚及东南亚热带和亚热带地区，而粳稻经过近万年的人工驯化和选择，具备耐低温的特性，种植地逐渐北移，主要分布在我国北方和东北亚温带地区。起源于南方热带或亚热带地区的水稻是如何适应北方相对低温的气候条件的呢？

中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组通过对美国农业部（USDA）收集的202份代表世界不同水稻种植区的水稻微核心种质资源群体进行低温耐受性鉴定，并与低温耐受性相关的bZIP转录因子进行关联分析，结合群体遗传学和进化生物学方法对相关位点进行籼粳分化和进化选择分析，发现了一个与粳稻苗期低温耐受性关联又在进化中受到强烈选择的耐低温基因——bZIP73，并阐明了耐低温的分子机理及其进化历程。该研究成果于2018年8月17日发表在《Nature Communications》杂志上。

研究发现，在籼稻和粳稻的原始祖先野生稻群体中bZIP73基因蛋白质编码区只有1个核苷酸差别，实验证明，含有籼稻型bZIP73基因水稻对低温敏感，而含有粳稻型bZIP73基因水稻对低温具有耐受性，证明就是这一个核苷酸的差异决定了籼粳稻的分化及低温耐受性差异。遗传及生物化学研究都表明，粳稻型bZIP73基因通过与另一个bZIP蛋白bZIP71互作来调节水稻体内植物激素脱落酸（ABA）和活性氧（ROS）水平，从而提高水稻对低温的耐受性。进一步对水稻祖先种——野生稻群体基因组序列分析发现，bZIP73基因可能早在水稻祖先野生稻中就受到了选择。非常有意思的是，结合野生稻分布区以及1960-1990年30年间平均地表温度数据分析发现，在印度、孟加拉国和中南半岛以西地表温度较高的地带，野生稻中同时存在粳稻型和籼稻型bZIP73，而相对地表温度较低的中国南方野生稻分布区中的野生稻仅存在粳稻型bZIP73，也就是说，只有含粳稻型bZIP73的野生稻能够在较低地表温度地区越冬生长，这一发现表明，粳稻型bZIP73与水稻的北移具有明显的相关性。这项研究成果对南方籼稻品种低温耐受性改良以及水稻种植区北移具有重要意义。

低温严重影响水稻的地理分布、生长发育及产量。近年来，极端气候频繁增多，倒春寒、寒露风等低温灾害逐年增加。每年我国因低温造成的粮食损失高达3-5亿吨，严重影响着粮食供给。这一研究成果不仅揭示了粳稻驯化过程中适应低温环境的分子机制，对于培育适应高纬度高海拔地区水稻品种具有重要指导意义。

OsbZIP73的逐步选择模式以及OsbZIP73Jap耐低温的分子机制