微进化过程中水稻耐冷性状形成机制

Rice evolved in tropical and subtropicalareas and is sensitive to chilling stress. Rice cold tolerance is complex agronomic traits and is important for agricultural production. Rice chilling tolerance is a complex quantitative traits controlled by multiple genes. The cold-tolerance affects its distribution latitude and survival rate under chilling stress. The CHILLING-TOLERANCEDIVERGENCE 1 (COLD1) is the major gene of one chilling-resistant quantitative trait loci (QTL) in rice. One single-nucleotide mutation at COLD1, originated from Chinese Oryza rufipogon, confers adaptation of japonica rice to chilling. My group has built a recombinant inbred line (RIL) from wild rice and cultivated rice varieties. QTL analysis was carried out and two new QTLs, QTL7 and QTL11, were detected, which make significant contribution to chilling tolerance at both seedling and booting stages. These two loci, like COLD1 gene, are probably also exposed to artificial selection during evolution. Based on these results, we will try to identify the major genes for QTL7 and QTL11, and find out the molecular physiology basis of their function mechanism. Also, we will compare the genome sequence characteristics of wild and cultivated rice varieties at these loci to identify their connection with chilling tolerance, explore the molecular mechanism in the evolution of cold adaption and artificial selection through analyzing the sequence characteristics and function of COLD1, QTL7, and QTL11. The above contents belong to the field of "artificial selection and adaptation".

水稻起源于热带或亚热带，对低温敏感。水稻耐寒性是重要的复杂农艺性状，受多基因控制，决定种植纬度以及生长发育期异常寒流抵御能力。本实验室前期发现水稻数量性状QTL基因COLD1，起源于中国普通野生稻，一个SNP赋予了粳稻耐寒性。在此基础上，利用已建立利用野生稻和栽培稻构建的遗传群体克隆新QTL位点，初步结果显示QTL7和QTL11在芽期和苗期均提高耐寒性。基因分析表明它们可能在水稻驯化过程中受到了人工选择。本项目拟克隆QTL7和QTL11位点的主效基因，验证其生物学功能；利用获得野生稻种质材料和不同栽培稻材料，在全基因组水平上研究其基因序列结构特征与和耐寒性之间的关联关系，探索它们在耐寒性状的微进化中的作用机制；解析COLD1以及QTL7和QTL11中的主效基因的基因组序列结构特征及其遗传互作关系，探讨水稻耐寒适应性进化的分子机理以及人工选择的作用。

利用粳稻品种空育131和籼稻品种浙辐802为亲本构建重组自交系，利用图位克隆的方法得到COLD6基因（即QTL7）。籼稻背景下敲除COLD6基因功能，引起水稻低温耐受性升高；粳稻和籼稻背景下超表达COLD6都引起水稻低温耐受性降低，由此推测COLD6是水稻低温耐受性的负调控因子。基因组序列和低温耐受性进行分析，表明COLD6外显子区的InDel13位点具有CTC的插入或者缺失；具有CTC插入基因型（COLD6CTC）的品种苗期耐冷性明显强于无CTC插入的基因型（COLD―）品种，说明InDel13与耐冷性显著相关；野生稻只有COLD―基因型，说明栽培稻中的COLD6CTC基因型可能是粳稻驯化过程中新产生的突变。蛋白互作实验证明COLD6能够与G蛋白α亚基RGA1互作,也能与OsOSM。GTPase活性检测和分裂荧光素酶互补实验结果表明COLD6蛋白能够抑制RGA1的GTPase活性。基于以上实验结果提出以下可能的低温信号转导途径：常温下COLD6与RGA1互作并抑制GTPase的活性，进而抑制下游低温胁迫相关基因的表达；低温胁迫下OsOSM受到诱导表达量增加，OsOSM与COLD6互作从而抑制COLD6与RGA1的互作，解除COLD6对RGA1的GTPase活性的抑制作用，进而激活下游信号及调控途径，启动水稻低温应答。CTC单倍体型是驯化过程中突变而保留下来能够适应低温环境的基因型。. 利用类似手段克隆分析了COLD11基因。在不同品种中COLD11基因第一个外显子存在GCG重复次数的差异，通过对141个栽培品种冷处理结果分析，发现丙氨酸重复次数多的品种耐冷性更强。进一步对这些品种的地理分布进行分析，发现3次GCG重复基因型的品种都分布于热带地区，而多于3次GCG重复基因型的品种广泛分布于热带、亚热带和温带地区。对42个籼稻、16个温带粳稻、8个热带粳稻和4个aus品种中COLD11的全基因组分析分析，发现GCG重复次数相同的基因型在进化上关系较近，而且TCG+3GCG和(TCG+3GCG) X 2两种基因型可能受到了强烈的人工选择。. 综上所述，本研究利用自然变异材料，克隆分析了两个与水稻耐寒密切相关的两个数量性状基因，并明确了它们在进化过程中形成机理和发挥生物学功能的机制，为水稻耐寒分子育种提供明确的指导。