研究人员发现关键密码子重复调节水稻的耐寒性

中国科学院植物研究所康崇课题组近期的一项研究揭示了水稻DNA损伤的一种新的冷驯化修复机制，为水稻耐寒性状的改良提供了相应的精英模块。带有密码子的大米在单个位点重复。

结果在线发表在Science Advances上。

近年来，全球气候变化导致环境温度异常和极端天气事件明显增多。因此，迫切需要农作物具有耐受极端温度的能力以确保稳定的产量。尽管植物已经进化出复杂而精细的保护机制来应对低温胁迫，但 DNA 损伤仍然会发生，从而降低植物的防御能力。此外，基本的监管机制在很大程度上还不清楚。

在这项研究中，冲教授课题组与中国科学院数学与系统科学研究院李启斋研究员课题组、中国科学院遗传与发育生物学研究所程竹宽研究员课题组合作，采用了结合种群遗传学、基因组学、细胞和进化生物学，以开发耐寒性的新模块。

研究人员进行了基于多维尺度的数据合并全基因组关联研究 (DM-GWAS)。GWAS 使用合并的表型数据识别了一系列位点。其中之一是 11 号染色体上的 qCTS11-1，它对水稻的耐寒性有明显贡献。它的主要基因 COLD11 是通过精细图谱鉴定的。据研究人员称，COLD11 的功能丧失突变导致耐寒性降低。

在冷敏感籼稻品种和耐冷粳稻品种中观察到不同类型的GCG密码子重复编码COLD11第一外显子中的丙氨酸。GCG 密码子重复数与耐寒性呈明显正相关。此外，代表性水稻种质的基因组进化分析表明，在水稻种植的北扩过程中，大量的 GCG 序列重复受到了强烈的驯化选择。

此外，COLD11 编码一种 DNA 修复蛋白，该蛋白在修复 DNA 双链断裂中起着至关重要的作用。其第一个外显子中的 GCG 重复数与其生化活性呈正相关。这是关于驯化选择的 DNA 损伤修复机制及其涉及低温胁迫的相应精英模块的第一份报告。

使用粳稻和籼稻的 DM-GWAS——两个在耐寒性方面具有显着差异的水稻亚种——这项研究表明 COLD11 是耐寒性的主要数量性状基因座基因。

通过系统发育和地理分布分析证实，在 COLD11 第一个外显子中发现关键密码子重复，为单位点精细调控水稻耐寒性开辟了道路。它是一种潜在有用的分子模块，可通过分子设计改善水稻的耐寒性状。