玉米作為全球主要糧食作物，對溫度變化的敏感性非常高。提高玉米對溫度的適應(yīng)性，尤其是在低溫環(huán)境下的耐受能力，變得愈加重要。低溫不僅影響玉米的生長和產(chǎn)量，還決定了其在全球不同地區(qū)的種植分布。因此，深入研究和利用玉米耐冷基因資源，對于培育適應(yīng)低溫環(huán)境的玉米品種具有重要的實(shí)際意義。
玉米起源于墨西哥西南部，并由其野生種大芻草馴化而來。盡管玉米的原產(chǎn)地為熱帶地區(qū)，但自哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲之前，它便已經(jīng)傳播至溫帶地區(qū)，并且現(xiàn)如今廣泛種植于南緯40°至北緯58°之間的廣闊區(qū)域。玉米的適應(yīng)性不僅依賴于開花時(shí)間的調(diào)控，還需要具備應(yīng)對高緯度和高海拔地區(qū)低溫環(huán)境的能力。雖然近年來關(guān)于玉米開花適應(yīng)性的研究取得了顯著進(jìn)展，但其在高緯度低溫環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制仍知之甚少。
為鑒定調(diào)控玉米耐冷性的關(guān)鍵基因，楊淑華課題組利用205份玉米自交系群體進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，成功在玉米第3號染色體上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)調(diào)控玉米耐冷性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，命名為COLD-RESPonSIVE OPERATION LOCUS 1 (COOL1)。重測序和候選基因關(guān)聯(lián)分析表明，COOL1啟動子區(qū)域的9個(gè)SNP與玉米自交系耐冷性顯著關(guān)聯(lián)。根據(jù)這些變異位點(diǎn)，將自交系分為HapA和HapB兩種單倍型，其中COOL1HapA的基因表達(dá)水平較低，并且其表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐冷性；過表達(dá)COOL1基因會導(dǎo)致玉米耐冷性降低，而敲除COOL1則能夠顯著增強(qiáng)玉米苗期的耐冷性（圖1）。多組學(xué)分析顯示，COOL1通過直接抑制低溫關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子DREB1/CBF和海藻糖合成關(guān)鍵基因TPS的表達(dá)，負(fù)調(diào)控玉米的耐冷性。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，COOL1啟動子區(qū)的4個(gè)顯著自然變異位點(diǎn)位于A-box基序，這一基序受光信號關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子HY5的調(diào)控。在低溫環(huán)境下，HY5表達(dá)水平顯著上升，通過抑制COOL1基因的表達(dá)，正向調(diào)控玉米的耐冷性。COOL1啟動子的自然變異影響了HY5對其啟動子區(qū)的結(jié)合能力，從而導(dǎo)致了COOL1HapA和COOL1HapB耐冷性差異。進(jìn)一步研究還表明，COOL1的蛋白穩(wěn)定性受到鈣依賴蛋白激酶CPK17的調(diào)控。低溫激活CPK17激酶活性，促使其從細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核，磷酸化COOL1，從而增強(qiáng)COOL1蛋白穩(wěn)定性，負(fù)向調(diào)控玉米的耐冷性。
為了探究COOL1基因的進(jìn)化起源，研究團(tuán)隊(duì)對59種不同大芻草中COOL1啟動子區(qū)域進(jìn)行了測序。結(jié)果顯示，超過一半的大芻草攜帶耐冷等位基因COOL1HapA，表明這一等位變異在野生種群體中就已存在。進(jìn)一步對1,008份前哥倫布時(shí)期遍布美洲大陸的玉米地方品種進(jìn)行基因分型，發(fā)現(xiàn)COOL1HapA耐冷等位基因主要分布于北部高緯度寒冷地區(qū)，并在北美地區(qū)固定，而COOL1HapB冷敏感等位基因則更常見于低緯度溫暖地區(qū)。這表明，COOL1的耐冷等位基因在促進(jìn)玉米適應(yīng)高緯度低溫氣候過程中起到了重要作用（圖2）。研究還指出，我國一些主栽玉米品種（如先玉335、鄭單958等）的部分親本攜帶COOL1冷敏感等位基因。值得一提的是，在正常環(huán)境條件下，COOL1功能缺失突變體的產(chǎn)量相關(guān)性狀并未表現(xiàn)出顯著變化。因此，COOL1耐冷等位基因在提升玉米耐冷性、拓展其高緯度種植范圍方面具有顯著的應(yīng)用潛力。
這項(xiàng)研究為玉米在高緯度寒冷地區(qū)的適應(yīng)性改良提供了新的分子育種策略，對全球玉米生產(chǎn)及氣候變化應(yīng)對具有重要的意義。
生物學(xué)院植物抗逆高效全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊淑華教授是該論文的通訊作者，博士后曾榕和施怡婷教授為論文的第一作者。田豐教授對該研究工作提供了大力的指導(dǎo)和幫助，提出了寶貴的意見和材料支持，楊小紅教授、鞏志忠教授以及中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所左建儒研究員也為該研究提供了重要的材料及建設(shè)性的意見。同時(shí)，張曉燕副教授、郭麗博士、李卓洋博士、傅迪毅博士、博士生李岷澤以及作物功能基因組學(xué)與分子育種研究中心的莊軍紅也參與了這一項(xiàng)研究工作。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物功能基因組學(xué)與分子育種研究中心為該研究提供了遺傳轉(zhuǎn)化服務(wù)和重要的轉(zhuǎn)基因材料，為項(xiàng)目的順利推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
楊淑華，女，博士，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，植物抗逆高效全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。1991、1994年先后獲南開大學(xué)理學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位并留校工作；2002年獲得新加坡國立大學(xué)博士學(xué)位。2002-2004年在美國康奈爾大學(xué)植物生物系從事博士后研究。2005年受聘為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授。2012年獲得“國家杰出青年科學(xué)基金”資助，2014年入選教育部重大人才工程特聘教授，2021年入選國家“特支計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，2023年獲得第三屆全國創(chuàng)新爭先獎，2024年獲北京市教育系統(tǒng)“育人先鋒”稱號。主要研究方向是植物響應(yīng)低溫脅迫的分子機(jī)制。先后在Cell、Mol Cell、Dev Cell、Nat Plants、Sci Adv、EMBO J、PNAS、Plant Cell等國際主流學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文80余篇。論文總引用超1萬次，自2020年以來連續(xù)5年入選Clarivate全球高被引科學(xué)家。兼任Plant Cell、New Phytol、Sci China Life Sci、JIPB、Stress Biol等國際編委。
