华中农业大学谢国生团队揭示OsCML16-OsPILS7a协同调控水稻幼芽冷胁迫下初生根生长的分子机理

水稻是一种全生育期对冷胁迫敏感的作物。直播稻在许多亚洲国家已成为一种主要的种植方式。但是，芽期冷胁迫是直播水稻的主要限制因素。阐明水稻芽期冷胁迫下幼苗根系生长信号转导及其调控机制，将对耐冷水稻品种培育和化学调控应用提供理论依据。

Ca2+是细胞中主要的第二信使之一。植物细胞在冷胁迫下，[Ca2+]cyt增加，产生时空特异性Ca2+信号，即“钙指纹”（Calcium signature）。随后，Ca2+信号被钙感受器蛋白（Calcium sensors）识别与解码，调控下游靶蛋白活性，形成复杂的级联Ca2+信号转导网络，激活植物对冷胁迫响应。类钙调蛋白（CMLs, Calmodulin-like proteins）与Ca2+结合后，激活其下游靶蛋白，调控植物的抗逆反应。但是，OsCML16在水稻幼芽期冷胁迫下初生根生长信号转导中的调控作用还知之甚少。

近日，华中农业大学谢国生教授团队在国际主流期刊Plant Physiology发表了题为“CALMODULIN-LIKE16 and PIN-LIKES7a cooperatively regulate rice seedling primary root elongation under chilling”的研究论文，揭示了OsCML16-OsPILS7a协同调控水稻幼芽冷胁迫下初生根生长的分子机理。

该研究发现， OsCML16 在幼苗期根系中受低温明显诱导表达。与野生型相比， 15℃冷胁迫下， OsCML16 超表达幼苗提高初生根伸长，RNAi株系幼苗降低初生根伸长。结果表明， OsCML16 正调控水稻幼苗15℃冷胁迫下初生根伸长，促进水稻种子低温下萌发与壮苗的形态建成。

为了进一步探究OsCML16在冷胁迫下调控幼苗初生根伸长的分子机制，作者利用酵母文库筛选出一个与OsCML16互作的候选蛋白OsPILS7a。Y2H、BiFC、pull-down和Co-IP等鉴定表明两者之间互作。进一步，荧光素酶互补成像实验（LCI）证明两者之间的互作依赖于Ca2+。OsPILS7a是水稻PIN-LIKES家族成员，主要定位于内质网（ER），在细胞内起转运与分配生长素（IAA）的作用。该基因在幼苗根系中受低温明显诱导表达，ospils7a突变体降低了水稻幼苗15℃冷胁迫下初生根伸长。而且，OsCML16和OsPILS7a介导冷胁迫下水稻幼苗初生根中Ca2+和IAA信号转导途径，两者协同调控了IAA信号相关基因（OsIAA11、OsIAA23和OsARF16）和根系细胞分裂标记基因（OsRAN1、OsRAN2和OsLTG1）的转录水平。

综上所述，该研究揭示了OsCML16-OsPILS7a协同调控水稻幼苗冷胁迫下初生根伸长的信号转导机制：冷胁迫下，[Ca2+]cyt增加，OsCML16识别、解码Ca2+信号后构象改变，促进与靶蛋白OsPILS7a的结合。同时，冷胁迫诱导了OsCML16和OsPILS7a转录。随后，两者协同调控水稻幼苗冷胁迫下初生根中IAA信号相关基因和细胞分裂标记基因的转录水平。因此，该研究鉴定了一条OsCML16-OsPILS7a协同调控水稻幼苗冷胁迫下初生根中Ca2+/IAA信号转导途径，为直播稻苗期耐冷性分子育种和冷胁迫下初生根伸长的化学调控提供了新途径。

图1 OsCML16-OsPILS7a模块调控水稻幼苗冷胁迫下初生根伸长的作用模式

华中农业大学植物科学技术学院在读博士研究生刘双为第一作者，华中农业大学植物科学技术学院谢国生教授为通讯作者。在读博士研究生赵利艳和Aman Ullah以及已毕业硕士研究生郑钰莹和美合尔阿依·吾拉麦提参与了研究，本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae130