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    New Phytologist|中国科学院植物研究所种康院士团队发现能同时控制两个时期的耐寒分子模块


    研究背景

    在水稻生长发育过程中,苗期和孕穗期是两个对低温胁迫非常敏感的阶段,但同时调控两个时期的分子模块则鲜有报道。解析水稻低温信号调控网络、挖掘关键调控基因和开展分子设计育种,是解决水稻耐低温胁迫的有效措施之一。

    中国科学院植物研究所种康院士团队发现能同时控制两个时期的耐寒分子模块,驯化选择的COG3调控光系统II蛋白D1的周转影响水稻耐寒性,具有育种分子设计的应用潜力。

     

    研究内容

    发现COG3基因在水稻中广泛表达,尤其是在叶片和花器官中。COG3基因的突变体cog3-1、cog3-2对寒害非常敏感,导致水稻的生长和开花受到严重影响。相反,COG3基因的过表达可以提高水稻的寒害耐受性。

     

    研究进一步揭示了COG3基因的分子机制。他们发现COG3基因编码一个蛋白质,能够与OsFtsH2基因编码的蛋白质相互作用。亚细胞定位表明COG3主要局限于细胞核和叶绿体。OsFtsH2是一种叶绿体定位的蛋白酶,能够降解D1蛋白。D1蛋白是光合作用中的一个关键组分,参与光能的捕获和转化。

     

    在寒冷条件下,D1蛋白会受到损伤,导致光合作用的抑制。作者发现在cog3-1突变体中,OsFtsH2介导的D1降解受到阻碍,而在COG3过表达的水稻中,OsFtsH2的活性得到提高。这样,COG3能够通过调节OsFtsH2-D1模块,维持水稻的光合作用和寒害耐受性。

     

    小结

    该研究阐明了COG3是耐寒性的主要QTL基因,在幼苗期和孕穗期均起作用。我们的研究结果表明,COG3可能在温带粳稻中被选择和固定,并增强了水稻在驯化过程中对寒冷生境的适应。有人提出,COG3 通过在低温胁迫下维持正常的 OsFtsH2 蛋白酶活性来赋予对冷胁迫的抵抗力。基于COG3在耐寒性中的作用,该基因对未来作物分子育种具有潜在意义。

     

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