中国农业大学杨淑华/施怡婷团队揭示液泡膜水通道蛋白TIP4;3基因的自然变异调控玉米耐冷性

随着全球气候变化，极端气候频发，低温胁迫对作物尤其是生长在热带和温带的作物生长构成了严重威胁。因此，培育耐冷性强的作物品种，对提高作物的适应性和生产力具有重要意义。玉米（Zea mays L.）作为全球重要的粮食作物，原产于热带地区，对低温的敏感性制约了其在高纬度地区的种植范围和产量品质。通过现代育种技术和基因组学研究，发掘和利用耐冷性相关的遗传资源，改良玉米对低温胁迫耐受能力，将有助于增强其在高纬度地区的种植潜力，进而应对全球气候变化带来的不利影响。

近日，中国农业大学杨淑华/施怡婷教授团队在Plant Biotechnology Journal杂志上发表了题为“Genetic variation in the aquaporin TONOPLAST INTRINSIC PROTEIN 4;3 modulates maize cold tolerance”的研究论文，揭示了液泡膜水通道蛋白TIP4;3在调控玉米耐冷性中的作用，发现该基因的自然变异导致玉米自交系群体的耐冷性差异，为培育耐冷玉米新种质提供了关键的遗传靶点。

在先前的研究中，团队成员对玉米转基因株系群体进行了高通量耐冷表型筛选，成功鉴定并克隆了ZmRR1、ZmbZIP68、ZmMPK2/8等多个关键耐冷基因，并初步解析了玉米低温信号调控网络 (Zeng et al., 2019; Li et al.,2022)。该研究通过反向遗传学筛选的方法，发现过表达TIP2;1、TIP3;2、TIP4;3等液泡膜水通道蛋白基因显著降低玉米的耐冷性。利用CRISPR/Cas9技术构建的tip突变体，在萌发期和苗期表型出耐冷性显著增强，表明TIPs家族成员在玉米耐冷性中起重要的负调控作用。值得注意的是，TIP4;3基因在不同玉米自交系中的表达水平呈现显著差异。通过候选基因关联分析发现，TIP4;3基因启动子区域中存在一个CACTA类型转座子的插入或缺失的自然变异，影响组蛋白H3K37me3和H3K9me2修饰水平的变化，从而导致TIP4;3表达水平及玉米耐冷性的差异。进一步研究显示，TIP4;3通过调控低温胁迫下的气孔运动、活性氧（ROS）的积累以及冷响应（COR）基因的表达，负向调控玉米的耐冷性 (图1)。综上，该研究不仅揭示了液泡膜水通道蛋白TIP4;3在调控玉米耐冷性的分子机制，还为培育耐冷性增强的玉米新种质提供了理论基础和重要基因资源。

图1.TIP4;3调控玉米耐冷性的机制模型

该研究在中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室完成，杨淑华课题组博士后曾榕博士与张晓燕副教授为共同第一作者，施怡婷教授为通讯作者。中国农业大小杨小红教授、田丰教授、吉林省农科院宋广树研究员、吕庆雪博士，以及团队多名研究生参与了该工作。研究得到科技创新2030-重大项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和中国高校科学基金等项目的资助。

参考文献：

Zeng, R., Li, Z.Y., Shi, Y.T., Fu, D.Y., Yin, P., Cheng, J.K., Jiang, C.F. et al. (2021) Natural variation in a type-A response regulator confers maize chilling tolerance. Nat. Commun, 12: 4713.

Jiang, H.F., Shi, Y.T., Liu, J.Y., Li, Z., Fu, D.Y., Wu, S.F., Li, M.Z. et al. (2022) Natural polymorphism of ZmICE1 contributes to amino acid metabolism that impacts cold tolerance in maize. Nat. Plants, 8: 1176–1190.

Li, Z.Y., Fu, D.Y., Wang, X., Zeng, R., Zhang, X., Tian, J.G., Zhang, S.S. et al. (2022) The transcription factor bZIP68 negatively regulates cold tolerance in maize. Plant Cell, 34: 2833–2851.

论文连接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14426