研究背景

随着气候变化的影响逐渐加剧，全球范围内极端气候事件频繁发生，水稻等重要作物在寒冷环境中的生长受到严重威胁。低温是限制水稻产量和分布的关键环境因素之一，尤其是对于亚洲大部分水稻种植区。因此，如何提升水稻对寒冷的耐受性，一直是农业科研的重点课题之一。

脱落酸（ABA）作为植物在应对环境胁迫时的重要激素，已被证明在多种植物对寒冷等环境胁迫的适应中发挥着核心作用。ABA通过调节多种生理反应，如膜稳定性、气孔调节、抗氧化防御等，帮助植物维持细胞内的稳态，从而提高其耐低温性。然而，不同水稻耐低温性的品种在ABA信号通路的反应上存在显著差异，如何利用这一差异来提高水稻的耐低温性，是当前研究的一个重要方向。

文章介绍

2025年1月3日，湖南农业大学刘次桃团队在《Theoretical and Applied Genetics》期刊上发表了题为《Unlocking ABA's role in rice cold tolerance: Insights from Zhonghua 11 and Kasalath》的研究论文，全面揭示了脱落酸ABA信号通路在水稻耐低温中的关键作用。这项研究不仅深入解析了水稻在低温胁迫下的分子反应机制，还为寒冷地区水稻品种的育种提供了宝贵的理论支持。    

研究结果

1、ZH11的ABA调节效率更高

低温条件下，植物通过提高内源ABA水平增强耐低温性，但耐低温和不耐低温品种的ABA响应存在差异。本研究发现，耐低温水稻品种ZH11在正常条件下的ABA水平高于不耐低温品种Kasalath（图1a-b）。在冷胁迫初期（0-6小时），两者ABA水平均上升，但ZH11的积累速度更快，表明其冷胁迫响应效率更高（图1a-b）。

ABA在胁迫中的作用具有双重性：适量促进响应，过量则影响生长。因此，ABA水平的反馈调节至关重要。耐低温品种ABA水平通常早期达到峰值并逐渐下降，而不耐低温品种则持续积累。在本研究中，ZH11的ABA水平在12小时后下降，而Kasalath则继续上升。胁迫结束时，ZH11的ABA水平低于Kasalath，表明受控的ABA下降有助于植物恢复（图1a-b）。

外源ABA处理也表现出差异：50-150 mM ABA显著提高了两种品种的耐低温性（图1c-f）。但在200 mM处理下，ZH11的耐低温性进一步增强，而Kasalath未显示明显变化（图1c-e）。这表明耐低温品种通过更高效的ABA信号网络，更有效利用外源ABA应对胁迫。

耐低温品种ZH11通过增强ABA敏感性、优化信号传导和代谢调控，更高效维持适宜的ABA水平，从而增强冷胁迫耐受性。    

图1. 外施ABA对Kasalth和ZH11耐冷性的影响

2. ABA代谢与合成基因在植物耐低温中的关键作用

ABA的合成与代谢决定了植物中ABA的含量变化，进而快速调控ABA信号，帮助植物应对逆境和调节生长发育。在低温胁迫下，ABA合成基因被激活，ABA浓度升高，启动耐低温的防御机制。当低温胁迫减轻时，ABA降解机制恢复正常，避免ABA过度积累。通过这种合成与降解的平衡，植物能够在低温环境中生存并维持正常的生长发育功能。

本研究发现，ABA合成关键基因在低温胁迫中的表达也存在显著差异。在低温处理6小时后，Kasalath仅有OsNCED3基因上调，而ZH11中，所有的ABA合成基因均显著上调，特别是OsNCED5，其在12 h内增加了33倍（图2a-b）。这表明OsNCED5在耐低温过程中发挥了关键作用。    

同时， ABA代谢基因OsABA8ox1在耐低温品种ZH11中，在低温胁迫1小时内表达量增加了231倍，而在低温敏感品种Kasalath中，6 h时仅增加75倍，但12小时时仍上调至150.7倍（图2a-b）。这表明ABA代谢在耐低温性中起到重要作用。

植物的抗寒性由ABA的合成与降解共同调控，这两者的平衡对植物生长发育以及应对环境胁迫至关重要。

图2. Kasalth和ZH11中ABA合成和代谢基因响应低温逆境表达模式

3. OsWRKY71是OsABA8ox1的关键上游调控因子

OsABA8ox1在耐低温品种ZH11和低温敏感品种Kasalath中的响应效应存在显著差异，表明其在两个品种中响应低温的机制有所不同。作者通过对OsABA8ox1的等位基因差异进行分析，发现其编码区和启动子区域均未存在等位变异。这说明，OsABA8ox1的上游调控因子在不同品种中起到了关键作用，决定了其功能差异。

进一步的生物信息学分析和低温胁迫诱导表达分析显示，转录因子OsWRKY71是OsABA8ox1的主要上游调控因子（图3a-d）。通过单倍型分析，在202份水稻核心种质资源群体中发现，低温敏感品种主要携带OsWRKY71Ka单倍型，而耐低温品种主要携带OsWRKY71ZH11单倍型（图3e-g）。    

在体外电泳迁移率分析（EMSA）实验中，OsWRKY71Ka和OsWRKY71ZH11均能够结合OsABA8ox1的启动子区域（图5h）。然而，在双荧光素酶报告基因（Dual-LUC）实验中，仅OsWRKY71ZH11能够抑制OsABA8ox1的表达，而OsWRKY71Ka未显示出抑制作用（图3i-j）。

这些研究结果表明，OsWRKY71ZH11通过抑制OsABA8ox1的表达增强了ZH11的耐低温性，且该等位基因与耐低温性密切相关。而OsWRKY71Ka等位基因则未能发挥类似功能，与低温敏感性相关联。这一发现为理解不同品种的耐低温机制提供了新的视角，也为培育耐低温水稻品种提供了潜在的分子靶点。

图3. OsWRKY71ZH11抑制OsABA8ox1的表达

4、OsWRKY71ZH11通过调控ABA代谢增强水稻耐低温性    

转基因实验结果显示，OsWRKY71ZH11过表达株系能够通过抑制ABA代谢基因OsABA8ox1的表达（图4e），从而降低低温条件下植株体内的ABA含量（图4f）。这一机制有效维持了植株在低温下较低的ABA水平，显著提高了水稻的低温存活率（图4b、d）。

相比之下，OsWRKY71Ka过表达株系并未改变OsABA8ox1的表达量，也未对ABA含量及水稻的低温耐受性产生影响（图4a，c-f）。这些结果表明，OsWRKY71ZH11通过抑制OsABA8ox1的表达，调控ABA代谢，从而增强了水稻的耐低温性。    

图4. OsWRKY71ZH11提高水稻耐低温， OsWRKY71Ka不改变水稻耐低温性

5、OsbZIP73-OsNCED5协同调控水稻耐低温

研究表明，OsNCED5在水稻品种ZH11与Kasalath的耐低温响应中发挥了重要作用（图2）。对202份水稻核心种质群体的等位基因和单倍型分析发现，OsNCED5形成了两个主要单倍型：以Kasalath为代表的OsNCED5Ka单倍型与低温敏感性相关，而以ZH11为代表的OsNCED5ZH11单倍型则与耐低温性相关（图5a-b）。    

进一步的生物信息学分析和低温胁迫诱导表达分析显示，bZIP转录因子OsbZIP73是OsNCED5的主要上游调控因子（图5a-d）。分析还发现，OsbZIP73在ZH11和Kasalath之间存在等位基因变异（+511 G>A）（图5d，g）。在对202份水稻核心种质的单倍型分析中，OsbZIP73Ind单倍型（Kasalath型）与低温敏感性相关，而OsbZIP73Jap单倍型（ZH11型）与耐低温性相关（图5b，d）。

双荧光素酶报告基因（Dual-LUC）实验进一步表明，OsbZIP73Jap抑制了OsNCED5ZH11的表达，而OsbZIP73Ind则促进了OsNCED5Ka的表达（图5k）。这一结果揭示了OsbZIP73-OsNCED5协同调控水稻耐低温性的机制，为耐寒性水稻品种的育种提供了新的分子靶点。

图5. OsbZIP73是OsNCED5的上游调控因子

6、ABA信号通路在Kasalath与ZH11中的小结

本研究揭示了转录因子OsbZIP73和OsWRKY71在低温胁迫下对ABA合成与代谢的差异性调控机制。Kasalath，在低温条件下，OsbZIP73Ind激活ABA合成基因OsNCED5Ka的表达，而OsWRKY71Ka未能有效抑制ABA代谢基因OsABA8ox1的表达，导致ABA过度积累。这种失衡使Kasalath在低温下表现出较弱的耐冷性。相比之下，ZH11中OsbZIP73Jap抑制了ABA合成基因OsNCED5ZH11的表达，而OsWRKY71ZH11有效抑制了ABA代谢基因OsABA8ox1的表达，从而维持了ABA的稳态（图6）。这种精准的调控机制帮助ZH11在低温胁迫下快速响应并增强耐冷性。

这一调控差异清楚地解释了ZH11与Kasalath在低温胁迫下的耐寒性强弱差异，为深入理解水稻ABA信号通路与抗寒性之间的关系提供了新视角。    

图6. ABA信号通路在Kasalath与ZH11中小结