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科研成果

杂草稻耐冷表观遗传的演化规律揭示栽培水稻不断向北扩展栽培区的机制

作者:王园园,刘宇婧 文来源:南京农业大学杂草研究室发布日期:2019-12-01

       热带亚热带起源的水稻(Oryza sativa L.)随着人们对粮食需求的增长,被不断向北的温带扩展其种植区域,杂草稻(Oryza sativa L. f. spontanea f. spontanea)也伴随水稻扩散蔓延,期间面临低温胁迫及适应。南京农业大学杂草研究室强胜教授团队比较研究全国100个种群的杂草稻及伴生的水稻的植株耐冷性发现,耐冷性从南向北逐渐增强。且存在明显的共分化现象,其受OsICE1基因的启动子区相同的甲基化模式调控的。

      对杂草稻及水稻耐冷性研究发现,种群耐冷性与采样点的纬度显著正相关,与极端最低温、年均温和移栽期月均温显著负相关。对典型耐冷杂草稻及伴生水稻种群CBF通路基因表达模式研究发现,除耐冷负调控基因OsCBF2外,其他基因的表达量均与种群耐冷性显著正相关。不同杂草稻和水稻种群OsICE1基因区均未发现甲基化位点,而OsICE1启动子区域CHG和CHH甲基化程度与种群耐冷性及采样点纬度、极端最低温、年均温和移栽期月均温显著相关;CHG和CHH甲基化在不同纬度的东北及中西南部种群耐冷性分化中发挥的功能不同,高纬度地区的种群耐冷性分化是由CHG甲基化差异主导的,而中纬度地区种群耐冷性的分化则是由CHG和CHH甲基化差异共同导致的,而低纬度地区种群耐冷性差异很小,CHG和CHH甲基化基本无差异。同一地区杂草稻和水稻种群耐冷性、CBF通路基因表达量及OsICE1基因启动子区甲基化相似。因此,杂草稻和水稻的耐冷性表型多态性及其适应性是受OsICE1基因的启动子区甲基化表观遗传调控的,其共分化是由OsICE1基因的启动子区相同的甲基化模式调控以及可能存在的频繁基因流的结果。

      OsICE1基因启动子甲基化调控水稻和杂草稻耐冷性分化有广阔的应用前景,为水稻耐冷品种的选育提供了新的研究手段。由于OsICE1基因启动子甲基化负调控水稻耐冷性,可将OsICE1基因启动子的甲基化程度作为耐冷性筛选的标志,不仅可提高作物育种的效率,更可提高作物育种的精确性。可结合甲基化敏感性限制性内切酶及分子标记技术,作为育种研究中的重要工具,快速检测活体植株中OsICE1基因启动子甲基化程度,高效的进行大范围的植株检测,筛选耐冷性强的水稻品种。

       该团队的解洪杰以及韩一豪和李新月硕士生为共同第一作者,强胜教授为通讯作者,宋小玲教授、戴伟民副教授以及美国华盛顿大学的Olsen教授为共同作者。国际生态学著名杂志Molecular Ecology于2019年11月12日在线发表了该研究论文(Climate‐dependent variation in cold tolerance of weedy rice and rice mediated by OsICE1 promoter methylation, https://doi.org/10.1111/mec.15305),该研究得到了国家自然科学基金(31572066)和国家转基因重大专项(2016ZX08011-001)的支持。

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