中科院遗传所李家洋院士团队连发两篇论文，分别在水稻盐胁迫和冷胁迫领域取得重要研究进展

近日，中科院遗传发育所李家洋团队分别在水稻盐胁迫和冷胁迫领域取得重要研究进展，相关研究分别以“OsMPK4 promotes phosphorylation and degradation of IPA1 in response to salt stress to confer salt tolerance in rice”发表在Journal of Genetics and Genomics上；以“Chilling-induced phosphorylation of IPA1 by OsSAPK6 activates chilling tolerance responses in rice”为题发表在Cell Discovery上。

第一篇文章详细解读如下：

盐胁迫是限制植物生长和作物产量的主要非生物胁迫之一，全球盐渍土总面积高达8亿公顷，严重危害粮食安全。水稻是我国最重要的粮食作物，但对盐胁迫非常敏感，解析水稻盐胁迫响应的分子机制，对于改良水稻耐盐性具有重要科学意义。

IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是此前中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队鉴定到的一个水稻株型调控的主效基因（Jiao et al., 2010），因其在调控水稻分蘖和籽粒大小方面发挥的重要作用，被广泛用于高产水稻育种，但其参与水稻盐胁迫响应的机制并不清楚。近期，该团队通过对IPA1功能缺失突变体ipa1-10 和功能获得型ipa1-3D的幼苗进行盐处理，发现IPA1 负调控水稻的耐盐性，盐胁迫处理30分钟后IPA1的磷酸化水平升高但蛋白水平降低。为深入探究IPA1 的上游调控因子，通过质谱技术系统分析了盐胁迫条件下IPA1 的互作蛋白，鉴定到丝裂原活化蛋白激(MAPKs/MPKs) 家族成员OsMPK4。进一步的实验结果表明OsMPK4 能够与IPA1 发生蛋白相互作用，并且在盐胁迫条件下，OsMPK4 被激活并磷酸化IPA1 的Thr180位点，从而促进IPA1 的泛素化降解，降低IPA1 的蛋白水平并最终提高水稻耐盐性。遗传结果表明，OsMPK4 正调控水稻耐盐性并与IPA1 在耐盐性调控上位于同一通路中。综上，该项研究工作阐明了MPK4-IPA1 模块调控水稻盐胁迫响应的分子机制, 揭示了植物生长和胁迫之间的信号交互，为创制高产耐盐水稻品种提供了新的分子机制与遗传资源。

中科院遗传发育所李家洋研究组贾美茹博士与罗楠博士研究生为该论文的共同第一作者，余泓研究员与王冰研究员为共同通讯作者。论文得到国家自然科学基金委，中科院先导专项，国家水稻产业体系等项目的资助。

第二篇文章详细解读如下：

水稻苗期遇到低温天气后，稻苗会发生生长迟缓、黄化、发育不良、枯萎甚至死亡，严重影响水稻生长发育与产量。提高水稻苗期的冷胁迫抗性，对于减少水稻苗期冷害损失、推广水稻直播种植等均具有重要意义，然而目前对于水稻冷胁迫后的转录调控响应机制仍不清楚。

中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队在水稻冷胁迫响应调控机制上取得了新进展。该团队在此前构建的水稻突变体库中发现一个苗期冷敏感的突变体，并鉴定到是由于OSMOTIC STRESS/ABA-ACTIVATED PROTEIN KINASE 6（OsSAPK6）的提前终止导致水稻冷敏感的表型，同时OsSAPK6 的过表达材料表现出了苗期抗冷的表型。为鉴定OsSAPK6 的底物，利用GFP-OsSAPK6 进行了免疫沉淀-质谱联用(IP-MS)实验，发现IPA1（Ideal Plant Architecture 1）在候选蛋白中多次出现。IPA1 是此前李家洋团队鉴定到的一个水稻株型调控的主效基因（Jiao et al., 2010）。该研究发现OsSAPK6能够与IPA1发生蛋白互作，并在S201 和S213 位点对IPA1 进行磷酸化修饰，进而稳定IPA1 蛋白。随后的研究表明，IPA1 的S213 位点的磷酸化对于其抗冷的表型具有关键作用，将213 位点的丝氨酸突变成无法被磷酸化的天冬酰胺后，ipa1S213N 突变体表现出了冷敏感的表型。通过RNA-seq 发现，OsCBF3 基因在ipa1-3D gain-of-function 突变体中的冷诱导表达明显增强，而在ipa1-10 loss-of-function 突变体中冷诱导表达明显减弱，且IPA1能够直接结合OsCBF3 启动子区的GTAC motif 激活其基因表达。遗传与生化实验的结果表明，OsSAPK6、IPA1 与OsCBF3 在同一途径中调控水稻的冷响应，冷胁迫后OsSAPK6 能够磷酸化IPA1 蛋白，使得IPA1 蛋白积累并激活下游OsCBF3的表达，增强水稻冷胁迫抗性。ipa1-2D 是此前鉴定到的一个IPA1 优异等位基因型，在高产水稻品种培育中被广泛使用（Zhang et al., 2017）。研究表明，携带ipa1-2D 的近等基因系与对照相比，具有更强的苗期耐冷性，兼具高产与抗冷。综上，该项成果阐明了OsSAPK6-IPA1-OsCBF 调控水稻冷胁迫响应的分子机制，为创制高产耐冷水稻品种提供了新的分子机制与遗传资源。

中科院遗传发育所李家洋研究组贾美茹博士为该论文的第一作者，余泓研究员为通讯作者。论文得到国家自然科学基金委，中科院先导专项，国家水稻产业体系等项目资助。

来源：中科院遗传所

转自：植物科学SCI

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