COLD1互作蛋白对水稻耐冷性的调节

Extreme low temperature is one of major abiotic stresses in yield loss of crops, such as rice (Oryza sativa L.). Therefore, research on molecular mechanism of plant tolerance to cold stress is of great importance to improve the cold tolerance of crops. It had shown that COLD1 interacts with G protein to activate the Ca2+ channel for temperature sensing. At present, new proteins were also identified as COLD1 interacting proteins (CIPs), such as CIP1, CIP2, CIP8, they contain EF-hand motifs, which may be involved in the regulation of chilling tolerance in rice. The detail mechanism remains elusive. This research will investigate the interactions between CIPs and COLD1 by using biochemical techniques，and the function of CIPs response to cold stress in rice by using the forward and reverse genetics approaches. The genetic interactions between CIPs and COLD1 will be defined via the hybridization in field and cold-tolerant phenotype. It will elucidate the role of CIPs in cold tolerance, and explore the further the molecular mechanism of COLD1 sensing low temperate, which will help to develop novel molecular strategies and facilitate the breeding of rice for chilling tolerance.

低温冷害是造成水稻等作物减产的主要逆境因素之一，开展植物耐受低温逆境分子机制研究对改良农作物耐寒性状具有重要意义。前期研究表明，COLD1与G蛋白互作并感受低温信号，激活钙离子通道，触发下游耐寒防御反应。进一步研究发现了COLD1的其它互作蛋白(COLD1 interacting proteins, CIPs)，如CIP1、CIP2和CIP8，它们都具有EF-hand结构域，可能参与水稻耐冷性调节，但详细分子机制目前还不清楚。本研究拟以CIPs为研究对象，利用BiFC等生化实验证明CIPs与COLD1的体内互作关系；借助正、反向遗传学等手段分析CIPs蛋白在低温信号转导中的功能；通过开展田间杂交和分析后代耐冷表型，验证CIPs与COLD1基因的互作关系。通过本项目的研究将进一步完善COLD1感知环境低温分子机理和阐明CIPs在水稻耐冷调节中的作用，为水稻耐冷分子育种提供候选基因。

水稻等农作物的耐寒性状是一种非常复杂的农艺性状，通过解析耐受低温胁迫反应的分子机制进而改良品种，对于稳定和增加水稻粮食产量具有重要的意义。本研究是在前期COLD1蛋白与G蛋白互作感知低温并激活下游信号转导的基础上，开展COLD1互作蛋白鉴定、验证、解析生物学功能和耐冷调控机制等研究内容。. 通过本项目的研究，获得了如下方面的进展。第一，通过分子生物学实验技术从体外和体内两方面证明了OsCIP1和OsCIP2与COLD1的互作，确定了OsCIP1和OsCIP2是COLD1的互作蛋白；第二，研究表明OsCIP1和OsCIP2蛋白具有可与Ca2+结合的EF-hand的结构域，以及OsCIP1和OsCIP2可以形成同源/异源二聚体；第三，OsCIP1和OsCIP2作为负调控因子参与水稻苗期耐冷反应的调控；第四，证明低温可以增强COLD1与OsCIP1和OsCIP2的互作，同时发现OsCIP1或OsCIP2可以抑制COLD1与RGA1的互作。基于以上实验结果，提出了可能的工作模型：OsCIP1和OsCIP2在低温条件下感知胞内钙离子浓度变化，结合Ca2+后与COLD1互作，竞争性与COLD1互作，减弱COLD1与RGA1的结合，抑制G蛋白信号通路，对耐冷反应起到负调控作用。此外，实验结果显示与COLD1膜内loop区互作的OsCIP8在耐冷调控中起到正调控因子作用，以及OsCIP3同样参与水稻耐冷调控。. 总之，本研究完善了COLD1感知和传递低温信号的分子机制，同时证明OsCIP1/OsCIP2在水稻耐寒调控网络中的负调控作用，更重要的是，可以借助人工编辑创制突变种质或筛选自然突变等方法将OsCIP1或和OsCIP2功能缺失而提高水稻耐寒性状，进而应用于水稻的耐寒分子育种。