過表達OsOMTL1（O-Methyltransferase like 1）增強水稻苗期耐冷性

熊文濤，羅世友，沈雨民，熊煥金，吳小燕，肖葉青，陳明亮*

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 水稻研究所，江西 南昌 330200；2.水稻國家工程研究中心(南昌) /國家水稻改良中心 南昌分中心，江西 南昌 330200）

【研究意義】水稻是世界主要的糧食作物之一，是半數(shù)人口的主糧。低溫冷害是水稻常見的氣象災害。在我國高緯度高海拔地區(qū)，在雙季稻區(qū)早稻的倒春寒和晚稻的寒露風，均有不同程度的低溫冷害，嚴重影響了水稻的生長發(fā)育[1]。在低溫脅迫下，水稻會產(chǎn)生一系列的生理代謝變化的應激反應，包括葉綠素含量的改變，植物內(nèi)源激素ABA 和GA 的改變，丙二醛、蔗糖、脯氨酸等代謝的積累等[2-3]。【前人研究進展】水稻耐冷性也是由多種不同分子機制協(xié)調(diào)產(chǎn)生，是復雜的數(shù)量性狀（QTLs）。對水稻低溫脅迫分子生物學研究的逐步深入，定位及克隆的水稻耐冷相關遺傳位點和基因越來越多見報道[4-6]。GSZ2，編碼馬來酰乙酰乙酸異構酶，第99位的苯丙氨酸的變異會導致酶活的下降，降低水稻耐冷性[7]。COLD1，編碼一個G 蛋白調(diào)節(jié)因子，在低溫響應時與G 蛋白α 亞基RGA1 互作激活鈣通路，提高水稻耐冷性[8]。bZIP73，編碼一個bZIP 轉錄因子，通過與bZIP71 互作調(diào)節(jié)脫落酸水平和活性氧平衡，提高水稻耐冷性[9]。Os-CNGC9，編碼環(huán)核苷酸離子通道蛋白，低溫下誘導的鈣內(nèi)流，提高胞質鈣含量，增強水稻的耐冷性[10]。HAN1，編碼細胞色素P450 家族的單加氧化酶，在MYB 轉錄因子的影響下調(diào)控茉莉酸介導的低溫響應，是耐寒性的負調(diào)控因子[11]。【本研究切入點】東鄉(xiāng)野生稻（簡稱東野）被證明是具有較強耐冷性的水稻資源，目前已經(jīng)從中定位克隆了一些耐冷遺傳位點，但水稻耐冷性的分子調(diào)節(jié)機制較為復雜，還有大量相關研究需要進一步開展?！緮M解決的關鍵問題】前期研究從以東野為供體、贛香B 為受體的片段代換系中篩選獲得強耐冷株系IL732。通過對贛香B 和強耐冷株系IL732 冷脅迫處理前后進行表達譜重測序，分析冷脅迫處理前后基因表達譜差異，通過生物信息學手段從中獲得多個耐冷相關候選基因[12]。其中LOC_Os11g19840，編碼一個類黃酮O-甲基轉移酶類似蛋白，命名為OsOMTL1（O-Methyltransferase like 1），進行功能驗證。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

贛香B 和以贛香B 為輪回親本，東野為供體親本的耐冷片段代換系IL732 為本研究室所有；OsOMTL1序列克隆自耐冷株系IL732，OsOMTL1的過表達載體構建、贛香B的轉化再生和陽性篩選方法同熊文濤等P[13]轉化OsHI-XI。贛香B過表達OsOMTL1基因T1代陽性植株用于后續(xù)試驗。

1.2 耐冷篩選

各水稻株系苗置于三洋MGC-450BP光照培養(yǎng)箱28 ℃恒溫培養(yǎng)至近3葉1心期時，放在常溫下3 d進行煉苗，在澳柯瑪YC-370 醫(yī)用冷藏箱（8±1）℃低溫下處理3 d，隨后將試驗材料置于常溫條件下使其恢復生長。7 d后統(tǒng)計各株系的存活苗數(shù)。以幼苗存活率=存活苗數(shù)/處理前秧苗數(shù)×100%作為苗期耐冷性的評價指標，篩選耐冷株系。

1.3 基因表達分析

贛香B和耐冷株系IL732培養(yǎng)至近3葉1心期時，放在常溫下3 d進行煉苗，（8±1）℃低溫下處理3 d，取處理前和處理后的葉片進行定量PCR 分析，以贛香B 常溫表達量為參照計算相對表達量；取IL732 常溫下3 葉1 心期不同部位根、莖、葉，以根部表達量為參照計算相對表達量；取贛香B 和轉基因過表達株系常溫下3 葉1 心期葉片，以贛香B 常溫為參照計算相對表達量。定量PCR 引物為OsActin-F：5'-CTTCATAGGAATGGAAGCTGCGGGTA-3' ；OsActin-R：5'-CGACCACCTTGATCTTCATGCTGCTA-3' ；OsOMTL1-F：5'-CGCAAAGATGGAGGGAAGGT-3'，OsOMTL1-R：5'-GCCAGTCATTTTCGTCTCGC-3'；每個樣品檢測3次重復，每次隨機取5棵苗進行混樣。

1.4 亞細胞定位

以耐冷株系IL732 cDNA 為模板擴增OsOMTL1，前引物：5'-CTAGTCTTAAGTCCGGAGCTAGCTC TAGAATGGCAGGTCAGGCTCCCAA-3'；后引物：5'-CTCCTCGCCCTTGCTCACCATGGATCCCGGATAGA CCTCAAAGACAGCT-3'，獲得目的片段用XbaI 與BamHI 雙酶切與瞬時表達載體PAN580-GFP 進行重組，PCR測序驗證后挑選陽性克隆，與核標記質粒共轉化水稻原生質體，弱光下培養(yǎng)8～10 h后，在激光共聚焦顯微鏡下觀察亞細胞定位。

1.5 基因分型作圖

登錄RiceVarmap 網(wǎng)站（http://ricevarmap2.ncpgr.cn），對OsOMTL1（LOC_Os11g19840）進行SNP 分析，挑選其中具有非同義變異SNP對RiceVarmap網(wǎng)站中總計4 692份水稻種質材料進行單倍體分析作圖。

2 結果與分析

2.1 轉基因耐冷性驗證

贛香B 和轉基因過表達OsOMTL1贛香的T1種子均發(fā)芽正常，但從葉片伸出開始，過表達OsOMTL1株系生物量顯著低于贛香B，生長受到抑制（圖1A）；表達量分析表明過表達株系中OsOMTL1的表達量遠遠高于贛香B（圖1B）；苗期冷脅迫處理后，贛香B存活率為0%，而過表達OsOMTL1贛香株系存活率為26.3%，過表達株系耐冷性顯著強于贛香B（圖1C）。

圖1 過表達OsOMTL1植株耐冷鑒定Fig.1 Identification of cold tolerance of rice lines with overexpressing OsOMTL1

2.2 基因表達分析

對OsOMTL1進行表達分析研究，該基因在3 d 低溫處理后表達量顯著上升，在耐冷株系IL732 中表達量常溫和低溫均顯著高于贛香B（圖2A）；該基因主要在葉片中表達，根部和莖里表達較低（圖2B）。原生質體亞細胞定位表明該基因編碼蛋白存在于細胞質中（圖2C）。

圖2 OsOMTL1表達模式研究Fig.2 Expression pattern of OsOMTL1

2.3 基因單倍型分析

通過OsOMTL1基因編碼區(qū)7 個非同義變異SNP 對RiceVarmap 網(wǎng)站中4 692 份水稻種質材料進行分析，OsOMTL1可以分為5 個基因單倍型，其中以I 型和II 型為主，存在明顯的秈粳分化（表1）。水稻亞種的分型分布表明粳稻主要在I 類單倍型中，而秈稻和Aus稻主要在II 和III 類單倍型中，IV 和V 類單倍型是稀有的類型（圖3）。序列檢測結果表明耐冷株系IL732 中OsOMTL1為I 類單倍型，與日本晴中該基因序列相同，而對照材料贛香B為II類單倍型。

圖3 不用水稻亞種OsOMTL1分型分布Fig.3 Genotyping distribution of OsOMTL1 with rice subspecies

表1 OsOMTL1基因單倍型分析Tab.1 Haplotype analysis of OsOMTL1

3 結論與討論

水稻耐冷性是受多種分子機制共同調(diào)節(jié)的復雜性狀。保持葉綠體活力、維持電解質平衡、提高抗氧化能力、積累可溶性小分子物質、調(diào)節(jié)植物激素脫落酸和赤霉素含量等，都有助于提高水稻的耐冷性。其中，提高抗氧化能力是水稻對于低溫脅迫的重要防御機制。水稻在遭遇低溫脅迫時，細胞內(nèi)氧代謝平衡失調(diào)，會產(chǎn)生大量的活性氧自由基，造成細胞傷害。水稻通過產(chǎn)生各種抗氧化酶（超氧歧化酶SOD、過氧化氫酶CAT 等）和抗氧化劑（谷胱甘肽GSH、抗壞血酸AsA 等），清除活性氧自由基，保護細胞和組織[2,4]。類黃酮物質是植物體內(nèi)重要的次生代謝物，具有較強的抗氧化能力，可以提高植物對于多種逆境脅迫的抗性，包括紫外線輻射、干旱脅迫、土壤鋁毒、生物病害等[14-16]。在低溫脅迫下，多種植物會積累類黃酮物質，提高耐冷性[17-18]。擬南芥中過表達類黃酮代謝途徑中的黃酮醇合成酶FLS會促進植株內(nèi)類黃酮物質的積累，增強對于多種逆境脅迫的抗性[19]。本研究中通過低溫脅迫基因表達譜差異篩選克隆了來自東稻的冷誘導表達基因OsOMTL1，編碼一個類黃酮O-甲基轉移酶類似蛋白，可能參與了類黃酮物質的合成。該基因在水稻耐冷株系IL732中表達量顯著高于冷敏感材料贛香B，且受到低溫誘導上調(diào)表達。該基因過表達水稻植株的苗期耐冷性顯著提高。有研究表明包括OsOMTL1在內(nèi)一些類黃酮類物質相關代謝基因參與了水稻對于紫外輔射的響應，表達量上調(diào)，促進了類黃酮物質的積累[20]。OsOMTL1可能通過參與水稻體內(nèi)類黃酮類物質的代謝，增強了水稻植株的耐冷性。

植物生長和抗逆反應中存在著復雜的調(diào)控機理，有研究表明植物逆境脅迫響應反應中類黃酮物質的合成對于植物生長具有抑制作用。BES1是擬南芥中油菜素甾體（BR）信號途徑上的關鍵轉錄因子。正常環(huán)境下BR激活BES1，與多個MYB轉錄因子啟動子結合抑制它們的表達量，降低類黃酮物質的生物合成，促進植株生長；當逆境脅迫出現(xiàn)時，BES1的表達受到抑制，MYB轉錄因子表達量上升，促進類黃酮類物質積累，抗逆性增強，但植株生長受到顯著抑制[21]。當木質素合成關鍵酶羥基肉桂?；D移酶HCT基因被沉默后，在嚴重抑制植物生長的同時會大量積累類黃酮物質[22]。本研究表明，超表達OsOMTL1植株苗期雖然顯著提高了耐冷性，但生長勢在正常條件下明顯弱于對照，可能與類黃酮類物質合成和植物生長之間的復雜調(diào)控機制有關。

在長期生長環(huán)境篩選中，粳稻的耐冷性顯著強于秈稻。雖然目前已克隆水稻耐冷基因的分子機理有很大不同，但大多數(shù)基因核酸序列均存在典型的秈粳分型，且來自粳稻的基因型可以顯著提高耐冷性，如COLD1、HAN1、CTB4a等[8,11,23-24]。本研究中也存在類似的結果，OsOMTL1存在顯著的秈粳分型，克隆自耐冷株系IL732（來自東稻）的OsOMTL1屬于粳稻基因型，而對照冷敏感材料贛香B 屬于秈稻基因型。未來通過秈粳稻雜交、復交，人工低溫高壓篩選將粳稻中的耐冷種質導入秈稻，是培育長江中下游稻作區(qū)耐冷水稻的有效途徑。

致謝：江西省農(nóng)業(yè)科學院博士啟動項目（20181CBS004）同時對本研究給予了資助，謹致謝意！