【Nature Communcations】自然的馈赠：中国农大李自超课题组揭示DROT1自然变异增强旱稻抗旱性的分子机制

世界范围内淡水资源正面临越来越大的压力，高效、可持续地利用水资源是我们面临的重大挑战1。我国是一个贫水国家2，水资源短缺是制约我国农业可持续发展的重要因素之一。挖掘节水稻种质资源、节约水稻用水已成为农业节水的重要途径与措施3。

栽培稻(Oryza sativa L.)由野生稻进化而来，野生稻对水生和旱生环境具有双重适应性。野生稻向栽培稻的演化过程中形成两类生态类型：水稻和旱稻（陆稻），两者干旱适应性状的遗传基础仍不清楚，这极大地限制了遗传变异在育种中的应用。关于水稻和旱稻抗旱性差异的分子基础仍然有待进一步阐明。

2022年7月23日，Nature Communications在线发表了中国农业大学农学院李自超教授团队题为“Natural variation of DROT1 confers drought adaptation in upland rice”的研究论文。该研究通过遗传分析结合转录组数据确定了一个水稻抗旱基因DROUGHT1(DROT1)并解析了DROT1赋予水稻抗旱性的分子机制与调控通路。

该研究鉴定了271份水稻种质资源的干旱胁迫表型，通过GWAS定位到主效抗旱QTL qDR10b，利用染色体片段导入系进行抗旱性鉴定，筛选与抗旱性紧密相关的染色体片段，最终确定了qDR10b位点。进一步对候选基因分析确定了一个可能的候选基因DROUGHT1(DROT1)，DROT1编码一个类COBRA蛋白，它参与细胞壁形成过程中纤维素的合成。研究人员构建了该基因的缺失突变体以及过表达遗传材料，在实验室干旱胁迫条件下以及田间干旱环境下，都证明了DROT1正调控植物的抗旱性。

DROT1主要在植物维管组织表达，其蛋白定位在细胞壁或细胞外围区域。研究人员利用FTIR技术对不同环境下水稻叶片细胞壁的成分鉴定，发现干旱环境下细胞壁纤维素的成分含量发生变化。在DROT1缺失突变体和过表达植株中纤维素含量分别显著降低与增加。这表明，叶片维管组织细胞壁中的纤维素含量对于其抗旱能力是至关重要的。研究人员进一步通过遗传学、分子生物学、生物化学等方法证明了抗旱相关的转录因子ERF3和ERF71能够直接调控DROT1的表达。作者还对其进行单倍型分析，发现Hap3是天然种质中具有DROT1潜在优良变异的单倍型，Hap3在旱稻中的比例远高于水稻。

该研究运用多种遗传学方法鉴定到一个与水稻抗旱基因DROT1，证明了DROT1在维管束中特异表达，并受到干旱应答转录因子ERF3直接抑制和ERF71直接激活。DROT1通过增加细胞壁纤维素含量和维持纤维素结晶度来调整细胞壁结构，从而提高植株抗旱性。启动子中C到T的单核苷酸变异增加了旱稻中DROT1的表达和抗旱性。旱稻DROT1潜在的优良单倍型可能来源于野生稻，这有利于旱稻品种的选育。

Acknowledgements

中国农业大学孙兴明和华中农业大学熊海燕为共同第一作者，中国农业大学李自超教授为通讯作者。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、三亚大亚湾科技城和海南大亚湾种子实验室项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31844-w#Sec30

转自：植物科学SCI

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