经典回顾丨Cell种康：无损“电生理”钙流为揭示水稻感知寒害的分子机制提供直接证据

旭月公司

2020/12/15 09:54

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NMT作为生命科学底层核心技术，是建立活体创新科研平台的必备技术。2005年~2020年，NMT已扎根中国15年。2020年，中国NMT销往瑞士苏黎世大学，正式打开欧洲市场。

基本信息

主题：无损“电生理”钙流为揭示水稻感知寒害的分子机制提供直接证据

期刊：Cell

影响因子：38.637

研究使用平台：NMT温度胁迫创新科研平台

标题：COLD1 Confers Chilling Tolerance in Rice

作者：中科院植物所种康、马云

检测离子/分子指标

Ca^²⁺

检测样品

3日龄水稻根

摘要

水稻对低温敏感，所以只能在某些气候带种植。人类对粳稻（japonica rice）的选择已将其生长区域扩展到温度较低的地区，而这种适应性的分子机制仍然未知。本研究鉴定了让粳稻具备耐寒性的定量性状位点COLD1。过表达COLD1^jap显著增强了植物的耐寒性，而COLD1^jap缺失或下调的水稻株系对低温敏感。COLD1编码一个定位在质膜和内质网（ER）上的G-蛋白信号调节器。它与G蛋白α亚基相互作用，激活感知低温的Ca²⁺通道，加速G蛋白GTPase的活性。研究进一步确定COLD1中的一个SNP2来源于中国野生稻（Oryza rufipogon），是COLD^jap/ind具备耐寒能力的原因。

离子/分子流实验处理方法

0℃实时处理

离子/分子流实验结果

采用NMT技术对水稻根系进行了冷激/冷休克（cold shock）下Ca²⁺流速的研究。在低温刺激下，野生型Dongjin水稻根中有大量细胞外Ca²⁺内流，并出现负峰（图1A）。相比之下，cold1-1在相同条件下，NMT信号无明显变化。与野生型ZH10水稻相比，COLD1^jap转基因株系在低温处理下Ca²⁺内流更显著，但COLD1^ind转基因株系则不太明显（图1B）。与indica 93-11相比，Nipponbare的反应更强烈（图1C）。此外，RGA1突变体d1比野生型Shiokari的Ca²⁺内流速率更低。cold1-1或转基因株系与野生型之间在冷激后的平均最大内流速率有显著差异（图1D）。

图1. 在不同遗传背景的根系中，低温胁迫会使细胞外Ca²⁺内流

其他实验结果

对低温耐受型Nipponbare（粳稻）与低温敏感型93-11（籼稻）品种杂交产生的重组自交系（RILs）进行QTL分析。利用151个RILs，检测到5个QTL，分别位于第1、2、4、8染色体上。COLD1位点与其他耐冷QTL的互作性远低于其他位点。
为了评价Nipponbare（NIP)位点COLD1^NIP是否有助于耐寒性，研究在93-11遗传背景下产生了3个含有COLD1^NIP位点的近等基因系（NILs）。COLD1^NIP/NIP纯合株系NIL4-1和NIL4-6的耐寒性显著高于93-11。
所有粳稻品种和2个野生稻品种的耐寒性均强于所有籼稻品种。所有具有耐寒性的品种（20个粳稻栽培品种和2个野生稻品种）都与缺乏低温耐受性的籼稻栽培品种存在第四外显子（SNP2）的SNP差异。
SNP2引起编码氨基酸的改变，是粳稻具有耐寒性的原因。
COLD1功能性SNP2上的位点A与栽培稻的耐寒性发育有关，可能是在粳稻驯化过程中筛选到的保存在中国稻群中的古老等位基因。
COLD1主要定位于内质网和质膜上。
在植物细胞中，COLD1可以与rice G-protein a subunit 1（RGA1）发生物理作用。
生化活性测定结果显示，RGA1代替COLD1单独具有GTPase活性，并且依赖于反应中Mg²⁺浓度。
与野生型Shiokari相比，RGA1突变体d1对低温存活的敏感性显著提高。
低温处理后，与单独表达相比，COLD1^jap和RGA1共表达的细胞内向电流明显激活。
在Ca²⁺存在下，低温刺激的内向电流信号依赖于COLD1和RGA1之间的相互作用。
无论是细胞外Ca²⁺内流还是细胞质净[Ca²⁺]_cyt信号的研究结果都与COLD1对水稻冷激依赖的胞内Ca²⁺变化至关重要的观点一致。