CTBx调控水稻孕穗期耐冷的分子机制解析及育种应用

Heilongjiang province is the most important commodity grain production base of rice in China. However, frequent occurrence of cold damage at rice booting stage gravely threats the rice production of local region. Therefore, it is urgent to identify the critical genes controlling rice cold tolerance and breed cold tolerant cultivars..In our previous study, we identified a cold-induced transcription factor CTBx (Cold Tolerance at Booting stage x). We generated the CTBx overexpression plants and ctbx knockout mutant. Phenotypic analysis showed that the cold tolerance of ctbx mutant is significantly increased at booting stage, which indicated that CTBx negatively regulates the rice cold tolerance at booting stage. Further, we found CTBx suppresses the expression of pollen-specific expressed gene GA20ox3 and GA3ox1 through direct binding the conserve motifs in those promoters region. .It has been reported that GA can enhance the rice cold tolerance at booting stage. Thus we hypothesize that CTBx negatively regulates cold tolerance is through suppressing the GA biosynthesis in pollen. In ctbx mutant, the GA biosynthesis is DE suppressed, and higher GA content contributed to better cold tolerance..To prove this hypothesis, in this proposal, we will use a combination of biochemical, genetic, molecular and functional genomic approaches to study the molecular mechanism of CTBx, which will provide knowledge for understanding rice cold stress response. Simultaneously, we will breed cold tolerance cultivars through knocking out CTBx gene via CRISPR/Cas9 mediated genome editing, which will contributed to maintain the rice yield and secure the food safety of China.

黑龙江省是我国水稻的最重要商品粮区，但该地区水稻孕穗期冷害频繁发生，严重影响水稻产量和我国粮食安全。分离孕穗期耐冷基因并应用于水稻品种选育，是解决该问题的关键。我们前期鉴定到孕穗期受冷诱导表达的转录因子CTBx，获得了CTBx过量表达水稻和ctbx突变体，发现ctbx突变体孕穗期耐冷性显著提高，说明CTBx是孕穗期耐冷性的负调控因子。CTBx能直接结合并抑制花药中GA合成基因GA20ox3和GA3ox1的表达。已有研究表明，GA能正调控水稻孕穗期耐冷性。因此，我们推测CTBx是通过降低花药中GA的含量来负调控水稻的孕穗期耐冷性。本申请拟综合利用分子生物学、生理学、遗传学、育种学等多学科手段，理论上，解析CTBx调控水稻孕穗期耐冷的分子机制，为深入研究水稻防御低温的机理提供知识储备；实践上，利用基因编辑手段，敲除CTBx来培育孕穗期耐冷性强的品种，以维持黑龙江省水稻的稳产、保证我国粮食安全。

黑龙江省是我国水稻的最重要商品粮区，但该地区水稻孕穗期冷害频繁发生，严重影响水稻产量和我国粮食安全。分离孕穗期耐冷基因并应用于水稻品种选育，是解决该问题的关键。通过本项目的资助，我们鉴定到孕穗期受冷诱导表达的基因CTBx即为转录因子OsWRKY53。OsWRKY53-OE表现为花粉育性差、结实率低，而oswrky53突变体在孕穗期低温胁迫后，相比于野生型植株结实率高、花粉活力强，说明OsWRKY53是孕穗期耐冷性新的负调控因子。已有研究表明，GA能够正向调控水稻孕穗期耐冷性，我们步研究分析发现，低温胁迫后oswrky53突变体花药中GA含量显著高于野生型，且oswrky53突变体植株中GA生物合成基因（OsGA20ox1、OsGA20ox3、OsGA3ox1）表达量显著高于野生型。同时通过遗传学、生物化学、分子生物学等技术手段证明OsWRKY53在调控水稻孕穗期耐冷性上位于GA生物合成基因的上游，并能够直接结合并抑制这些GA生物合成基因的表达。以上结果表明，OsWRKY53通过抑制GA生物合成基因的表达来调控花药GA含量，负调控水稻孕穗期耐冷性。.重要的是，oswrky53突变体在正常条件下，不影响水稻的产量，但在低温胁迫后，产量会显著高于野生型对照。同时，在黑龙江省主栽品种稻花香2号和龙稻16号背景中，敲除OsWRKY53基因均可以显著提高孕穗期耐冷性。本项目为水稻孕穗期耐冷分子育种提供有价值的位点。.以本项目为第一标注，在国际植物学期刊 Plant cell发表文章1篇；此外，以本项目资助下，还在Plant cell发表文章1篇、Journal of Integrative Plant Biology上发表学术论文2篇。授权专利1项，培养博士研究生1名，硕士研究生1名。