光敏色素B调控水稻低温胁迫耐性的机制研究

Cold stress is one of the main environmental factors which obviously reduce rice production, thus it is the concerned problem throughout the world. In the prior work, phytochrome B-deficient mutants (phyB) exhibit the improved cold tolerance compared to wild type (WT) rice. The expression profiles of OsDREB1s (dehydration responsive element binding protein 1) and OsPIFs (phytochrome-interacting factors) gene family in phyB and WT plants treated with cold stress reveal that phyB negatively regulates OsDREB1s expression and that OsPIFs probably participate in phyB-regulated expression of OsDREB1s. However how phyB regulates the expression of OsDREB1s and cold tolerance remain elusive in rice. In this project, we will dissect the mechanism by which rice phyB regulates cold tolerance in the following aspects. (1) To analyze phenotypic and physiological changes of phyB and WT plants during cold stress, such as antioxidant regulation and osmotic adjustment. (2) To uncover the regulatory networks of phyB-PIFs-OsDREB1 using transgenic rice cultivation, protein interaction analysis, as well as the binding analysis between protein and promoter. (3) To explore the other pathways through which phyB regulates cold tolerance using genechip. The results from this project will clarify the mechanism by which phyB regulates cold tolerance in rice and lay the foundation for molecular design to improve the cold tolerance in rice.

我们已有研究表明水稻phyB缺陷型突变体具有较强的低温胁迫耐性，水稻DREB1s和PIFs（光敏色素相互作用因子）在低温处理野生型和phyB突变体中的表达模式分析表明，水稻phyB负调控OsDREB1s的表达，且PIF可能参与此调控过程。但phyB调控OsDREB1s的表达及水稻低温胁迫反应的机制尚不清楚。 在本项目中，我们将主要从以下几个方面分析phyB调控水稻低温胁迫耐性的机制：（1）比较野生型和phyB突变体低温胁迫耐性相关的生理学变化，如抗氧化调节和渗透调节等；（2）通过转基因水稻培育、蛋白互作分析以及蛋白和启动子的结合分析揭示phyB-PIFs-OsDREB1之间的调控网络和机制；（3）利用基因表达谱分析探索phyB调控低温胁迫反应的其它途径。本项目的研究成果将揭示phyB调控水稻低温胁迫耐性的机制，为培育耐低温水稻新品种的分子设计奠定基础。

冷害是水稻减产的主要原因之一，也是全世界普遍关注的问题。有研究显示模式植物拟南芥、番茄中低温信号和光信号存在交叉，而水稻中至今未见报道。光敏色素B（phyB）在光形态建成中具有重要作用，我们的研究工作表明水稻phyB缺陷型突变体（phyB）具有较强的低温胁迫耐性，且相对电导率、超氧阴离子（O2-）、丙二醛含量比野生型（WT）低，这表明phyB突变体膜脂过氧化程度低、细胞膜完整性高。CBF/DREB1在植物的抗低温反应中具有重要作用，实时定量PCR分析表明，受低温诱导上调表达的OsDREB1s在phyB突变体中表达水平均明显高于WT。光敏色素相互作用因子（PIFs）是phyB传递信号的重要节点，为了研究水稻PIF因子（OsPIL11-OsPIL16）与OsDREB1s的关系，我们构建了OsPILs的过表达植株，发现OsPIL16的过表达植株低温胁迫耐性增强，且过受低温诱导的OsDREB1s的表达量比WT高；表达谱分析表明OsPIL16在phyB突变体中表达量明显比野生型高，并受低温诱导上调表达；酵母双杂交结果显示PHYB与OsPIL16相互作用；染色质免疫共沉淀（Chip）检测表明， OsPIL16可以结合OsDREB1B启动子区的N-box元件。综合上述研究结果和已有的文献报道，我们提出了phyB调控水稻低温胁迫耐性的机制， phyB突变体通过正调控OsPIL16 而上调OsDREB1s的表达，引起丙二醛浓度的减少和细胞膜完整性的增强，造成了phyB突变体低温胁迫耐性的增强。脱落酸（ABA）在植物的抗逆反应中具有重要的作用，phyB突变体中ABA含量比野生型高，比较WT、aba1phyB、phyB的低温胁迫耐性发现aba1phyB 的低温胁迫耐性介于phyB与WT之间，说明ABA在phyB调控低温胁迫耐性中具有重要作用。另外通过数字芯片表达谱（DEG）的分析，发现phyB突变体中Gretchen Hagen3、EIN3-binding F-box protein表达量比WT高，说明phyB还可以通过调控生长素、乙烯的信号传导调控水稻的低温胁迫耐性。通过DEG分析筛选获得1168个受光调控且受低温诱导的差异表达基因，为培育耐低温农作物新品种的分子设计奠定基础。