2月13日，中國農業大學農學院李金杰教授在Nature Communications期刊在線發表了一篇題為“Natural variation of indels in the CTB3 promoter confers cold tolerance in japonica rice”的研究論文（https://doi.org/10.1038/s41467-025-56992-7）。該研究揭示了OsCAMTA4（CTB3）調控水稻孕穗期耐冷性的分子機制，闡明了CTB3在促進粳稻冷適應性過程中的重要作用。

水稻起源于熱帶和亞熱帶地區，其在整個生育期對低溫表現高度敏感。水稻孕穗期遭遇低溫冷害，會影響幼穗及小孢子的正常發育，導致花粉育性降低和結實率下降。目前，利用自然群體挖掘的孕穗期耐冷基因資源有限，對孕穗期耐冷分子機制了解甚少。因此，挖掘新的孕穗期耐冷基因并解析其分子機制，明確關鍵自然變異，對于水稻耐冷新種質的創制具有重要意義。

植物鈣調素結合轉錄因子（CAMTA）在各種逆境脅迫中發揮重要作用。AtSR1（CAMTA3）、AtCAMTA1、AtCAMTA2與AtCAMTA5正調控擬南芥耐凍性，它們能夠激活AtDREB1s（CBFs）基因和其他冷誘導基因的表達。AtSR1也參與調節擬南芥的免疫能力、抗旱性和耐鹽性。在水稻中，OsCBT1和OsCAMTA3負向調節植物對病原體的免疫反應；SCT1和SCT2負向調控耐熱性。目前為止，還沒有CAMTA轉錄因子參與調控水稻耐冷性的研究報道。

在前期研究中，該團隊利用云南自然低溫條件對水稻核心種質進行孕穗期耐冷性鑒定，并通過全基因組關聯分析挖掘到一個穩定的孕穗期耐冷位點qCTB1t。本研究通過候選基因分析，將OsCAMTA4確定為最可能的候選基因，命名為CTB3。通過遺傳互補、過表達和基因敲除等轉基因功能驗證實驗，證實了CTB3正向調控水稻孕穗期耐冷性。

單倍型分析表明Hap1為CTB3的耐冷單倍型。候選基因的關聯分析和啟動子活性分析實驗表明，CTB3啟動子區的57bp和284bp的indel變異是決定孕穗期耐冷性的關鍵自然變異。CTB3-Hap1耐冷單倍型材料中CTB3的冷誘導表達水平顯著高于CTB3-Hap2冷敏感單倍型材料。與輪回親本DY17相比，近等基因系NILCTB3-Hap1中CTB3的冷誘導表達水平更高。此外，兩種單倍型CDS的過表達轉基因材料均能提高孕穗期耐冷性，這表明CTB3編碼區的SNPs變異不影響蛋白的功能。這些結果說明CTB3啟動子區的兩個indels是關鍵功能變異區。

圖1. CTB3正向調控水稻孕穗期耐冷性

圖2. 啟動子區兩個indels是CTB3的功能變異區

生物信息學預測結合分子實驗證明，OsTCP19能夠與2個indels區結合直接抑制CTB3的表達，負向調控水稻孕穗期耐冷性。CTB3-Hap1啟動子區僅包含1個OsTCP19結合位點，而CTB3-Hap2啟動子區包含3個OsTCP19結合位點，這些結果表明OsTCP19是調節CTB3不同單倍型冷誘導表達水平的關鍵上游調節因子。

圖3. OsTCP19作用于CTB3上游并負向調控孕穗期耐冷性

轉錄組分析結果顯示，低溫脅迫條件下，CTB3可能通過碳水化合物代謝和糖轉運途徑調節孕穗期耐冷性。在這兩個途徑中，鑒定到了苗期耐冷基因OsTPP1和糖轉運相關基因。分子生物學實驗表明，CTB3直接結合OsTPP1啟動子并激活其表達。OsTPP1編碼海藻糖-6-磷酸磷酸酶，能夠催化六磷酸海藻糖（Tre6P）去磷酸化成海藻糖（Tre）。研究結果發現，OsTPP1通過抑制六磷酸海藻糖的積累，促進糖轉運相關基因的表達, 從而使穗子中糖類物質積累。糖類物質在低溫脅迫條件下能夠維持花粉的正常發育，最終提高水稻孕穗期耐冷性。

圖4. OsTPP1是CTB3靶基因并正向調控孕穗期耐冷性

通過構建單倍型網絡和系統發生樹，發現CTB3-Hap1起源于中國南方的普通野生稻。選擇性清除分析和中性測驗結果顯示，CTB3在溫帶粳稻中受到定向選擇。單倍型分析表明T-Hap1為OsTCP19的耐冷單倍型，選擇性清除分析和中性測驗結果也表明OsTCP19在粳稻中受到定向選擇。聯合單倍型分析表明，T-hap1促進了粳稻和少部分秈稻耐冷性的提高，CTB3-hap1進一步促進了粳稻內部材料耐冷性的提高。育種潛力分析表明，CTB3-Hap1和T-Hap1耐冷等位基因在粳稻中得到了較好的應用。CTB3-Hap1近等基因系的耐冷性評價表明，CTB3-Hap1等位基因能夠提高秈稻優質品種德優17的孕穗期耐冷性，具有較好的耐冷育種應用潛力。

圖5. CTB3育種利用潛力及其耐冷分子機制模型

綜上所述，本研究克隆水稻孕穗期耐冷轉錄因子CTB3，揭示了CTB3通過海藻糖代謝途徑提高孕穗期耐冷性的分子機制，闡明了具有57bp和284bp缺失的CTB3-Hap1等位基因在粳稻冷適應性中發揮的重要作用。研究結果不僅深化了對粳稻冷適應性的理解，也為耐冷育種提供了重要的基因資源。

中國農業大學已畢業博士李勁和中國農業大學博士后郭海峰為論文的第一作者。中國農業大學農學院李金杰教授為論文的通訊作者。云南省農業科學院曾亞文研究員在云南自然低溫表型鑒定方面給與了大量支持。研究工作還得中國種子集團有限公司陳超博士和黑龍江省農業科學院馬文東研究員、郭震華副研究員的大力支持。中國農業大學李自超教授、張洪亮教授、張戰營副教授和孫興明副教授參與了此項工作。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的資助。