水稻作为全球重要的粮食作物，其产量稳定性直接关系到国家粮食安全。近年来，气候变化引发的高温、低温、干旱、盐碱化等问题严重威胁水稻生产。湖南农业大学/岳麓山实验室水稻逆境生物学创新团队聚焦水稻抗逆分子机制，近期在Plant Physiology、The Crop Journal、Theoretical and Applied Genetics等国际权威期刊连续发表5项研究成果，系统揭示了水稻耐盐、耐寒、耐旱的分子调控网络，为抗逆育种提供了重要理论依据和技术支撑。
1、揭示了硝态氮增强水稻耐盐性的新机制
在Plant Physiology上发表了论文 “Nitrate reductase-dependent nitric oxide production mediates nitrate-conferred salt tolerance in rice seedlings”（链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf080）。硝态氮（N）和铵态氮（A）是植物吸收的两种主要无机氮肥，研究发现，以N作为唯一氮源培养的水稻幼苗的耐盐性均显著高于铵硝态氮（AN）和A为氮源培养的水稻幼苗。进一步研究发现，硝态氮提高了地上部NR活性从而促进NO的产生，进一步激活盐胁迫过程中抗氧化酶的活性，增强水稻幼苗的耐盐性。在根系中，硝态氮通过促进NR依赖型NO的产生，上调OsAKT1基因的表达使水稻幼苗维持较高的K+/Na+比，帮助水稻在盐胁迫下维持离子平衡，进一步提升抗盐能力（图1）。该研究揭示了硝态氮通过诱导NR依赖型NO的产生增强水稻耐盐性的分子机制，为未来利用合理施用硝态氮肥提升水稻耐盐能力提供了重要的理论依据和技术支持。
图1 硝态氮增强水稻幼苗耐盐性的工作模型
2、发现了ABA信号通路调控水稻耐寒性差异的分子密码
在Theoretical and Applied Genetics发表了题为“Unlocking ABA’s role in rice cold tolerance: insights from Zhonghua 11 and Kasalath”（链接：https://doi.org/10.1007/s00122-024-04810-x）的研究论文，揭示了ABA信号通路在水稻耐寒性中的关键的关系。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2）。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。
图2 ABA信号通路在水稻Kasalath和ZH11的作用机制
3、解析了类黄酮与ABA协同提升水稻抗旱能力
在The Crop Journal发表的论文“Chalcone isomerase gene (OsCHI3) increases rice drought tolerance by scavenging ROS via flavonoid and ABA metabolic pathways”（链接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.01.019）中，揭示了查尔酮异构酶基因 OsCHI3 通过调控类黄酮和脱落酸（ABA）代谢途径提高水稻耐旱性的分子机制。该研究发现当水稻遭受干旱胁迫时会增强 OsCHI3 转录，进而促进幼苗中类黄酮积累。类黄酮除了直接清除 ROS 外，还作为信号分子通过影响 OsNCED1 和 OsABA8ox3 表达促进ABA生物合成。而 ABA 则通过增强抗氧化物酶活性进一步加强水稻对 ROS 的清除能力，最终提高水稻苗期耐旱性（图3）。该研究鉴定了调控水稻苗期耐旱性的新机制，为水稻抗旱育种研究提供了新的线索。
图3 干旱胁迫下 OsCHI3 调控合成的类黄酮通过影响 OsNCED1 和 OsABA8ox3 表达促进水稻幼苗中脱落酸积累
4、揭示了低温抑制水稻发芽新机制：ABA合成“刹车”，海藻糖积累“减速”
在The Crop Journal发表了论文 “ABA biosynthesis rather than ABA catabolism is induced by low temperature and inhibits seed germination by activating OsTPP3”（链接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2025.03.014） ，揭示了低温胁迫主要通过诱导ABA生物合成（而非抑制其分解）来抑制水稻种子萌发，并发现了一个新的分子调控模块：积累的ABA激活转录因子OsbZIP23，磷酸化的OsbZIP23进而激活海藻糖合成关键基因OsTPP3的表达，导致海藻糖积累增加，最终在低温下抑制种子萌发（图4）。
图4 OsbZIP23-OsTPP3分子模块调控水稻低温下种子萌发的模式图
5、揭示了OsZOS2-19在水稻冷应激和ABA反应中的负调控作用
在期刊Plant and Cell Physiology上发表了论文“A C2H2 Zinc Finger Protein, OsZOS2-19, Modulates ABA Sensitivity and Cold Response in Rice”（链接：https://doi.org/10.1093/pcp/pcaf018）。研究从水稻87个C2H2家族成员中，鉴定鉴定了一个对低温和ABA响应最迅速的蛋白OsZOS2-19。生理检测和RNA测序表明： OsZOS2-19在低温下通过抑制低温应答和ABA信号基因OsPGL12和OsWRKY71，导致细胞膜损伤严重，细胞中活性氧（ROS）积累以及溶解糖含量的显著下降，从而导致对低温敏感（图5）。该研究揭示了OsZOS2-19在水稻冷应激和ABA反应中的负调控作用，为未来通过基因编辑技术改善水稻抗寒性的研究提供了新的方向。
图5 OsZOS2-19增强水稻低温敏感性的机制
水稻逆境生物学创新团队由段美娟研究员担任学术带头人，汇聚叶能辉教授、吴厚雄研究员、刘次桃副教授、孟栓副教授等9名科研骨干，形成多学科交叉的研究梯队。团队长期聚焦水稻抗逆基因挖掘、籽粒灌浆机制及高抗高产高档优质水稻品种创制。团队近年来承担国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划等课题20余项，在PNAS、Nature Communications、Molecular Plant等顶级期刊发表论文100余篇，获国家发明专利20余项，为水稻抗逆育种和粮食安全提供了坚实科技支撑。
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