近日，Advanced Science在線發表了中國農業大學農學院李金杰/李自超教授團隊題為“CTB6 Confers Cold Tolerance at the Booting Stage by Maintaining Tapetum Development in Rice”的研究論文。本研究在水稻孕穗期耐冷QTL qCTB10-2定位基礎上，克隆了一個新的孕穗期耐冷基因CTB6 （Cold Tolerance at the Booting Stage 6），并揭示了CTB6通過調節ROS的穩態參與絨氈層PCD，同時CTB6通過影響低溫下花藥中的脂質含量從而共同調控水稻孕穗期耐冷性的分子機制。

水稻起源于熱帶和亞熱帶地區，對低溫非常敏感。低溫冷害是限制水稻種植分布和產量的重要因素之一。水稻孕穗期遭遇低溫冷害會對產量造成不可逆轉的損失。因此，開展水稻孕穗期耐冷研究，挖掘關鍵耐冷基因和篩選耐冷優異自然變異，對于水稻耐冷分子育種具有重要意義。

絨氈層是花藥壁內層的分泌細胞，它為小孢子的發育提供必需的營養物質，同時也為花粉外壁的形成提供原料。絨氈層細胞的程序性死亡（programmed cell death, PCD）發生時期十分關鍵，絨氈層PCD的提前或者延遲都會導致花粉敗育。目前研究發現，活性氧、（reactive oxygen species, ROS）內穩態參與調控絨氈層PCD。

植物脂質轉運蛋白（lipid transfer proteins, LTPs）是一類小分子堿性蛋白，其廣泛參與植物生長發育以及逆境脅迫過程。水稻LTPs在脂類分子運輸、花粉外壁組裝等過程中發揮重要的功能。但是，到目前為止，還沒有LTPs參與調控絨氈層PCD和水稻孕穗期耐冷性的研究報道。

本研究基于前期水稻孕穗期耐冷QTL qCTB10-2 定位基礎上，克隆了一個孕穗期耐冷基因CTB6，其編碼一個脂質轉運蛋白。CTB6在絨氈層和發育早期的小孢子中高表達，正向調控水稻孕穗期耐冷性。

圖1. CTB6正向調控水稻孕穗期耐冷性并在絨氈層和發育早期的小孢子中表達

低溫脅迫下，CTB6通過調節花藥中ROS的穩態保證絨氈層正常的PCD，維持花粉外壁結構和孢粉素沉積，進而在低溫脅迫下維持花粉粒正常發育。

圖2. CTB6通過調節ROS穩態影響絨氈層PCD

通過一系列生化實驗證明，CTB6與過氧化氫酶（catalase, CAT）CATA互作，低溫脅迫下，通過維持CATA的穩定性，調節絨氈層細胞ROS的穩態。同時發現CTB6具有蛋白酶抑制劑的活性，可能是維持CATA穩定性的原因。

圖3. CTB6維持CATA的穩定性

通過脂質結合實驗，證明CTB6具有結合脂質分子的能力，并能夠與一些磷脂酸分子結合。OsC6作為一個脂質轉運蛋白參與脂類分子的運輸，蛋白互作實驗證明，CTB6與OsC6互作，暗示了CTB6可能協助OsC6攜帶更多的脂類分子從絨氈層向花粉壁運輸。

圖4. CTB6與OsC6互作并具有結合脂質分子的能力

通過單倍型分析和啟動子活性檢測，發現Hap1-K為CTB6的優異單倍型，且CTB6耐冷自然變異位點位于啟動子區。核苷酸多樣性分析結果表明，CTB6在溫帶粳稻中受到正向選擇。地理分布顯示，CTB6的Hap1-K類型材料主要分布在中國的云貴高原地區，暗示了CTB6的有利變異可能促進了粳稻對高寒稻作區的低溫適應性。

圖5. CTB6的有利變異可能促進粳稻對高寒稻區的低溫適應性

本研究揭示了一個新的水稻孕穗期耐冷調控機制，證明了CTB6通過調節ROS的穩態參與絨氈層發育，同時CTB6還影響低溫下花藥中的脂質含量從而共同調控水稻孕穗期耐冷性。CTB6作為一個脂質轉運蛋白不僅具有脂質結合的能力，還具有蛋白酶抑制劑的活性，拓寬了脂質轉運蛋白在水稻生長發育過程中的生物學功能。此外，CTB6啟動子區的耐冷功能變異位點為水稻耐冷分子設計育種提供了新的靶位點。

中國農業大學博士研究生高石磊、中國農業大學已畢業博士李勁和云南省農業科學院曾亞文研究員為論文的第一作者。中國農業大學農學院李金杰教授和李自超教授為論文的通訊作者。研究工作還得到黑龍江省農業科學院馬文東研究員、郭震華副研究員和云南省農業科學院袁平榮研究員、郭詠梅研究員和李華慧副研究員的大力支持。該研究得到了農業生物育種國家科技重大專項、云南省科技廳基礎研究專項重點項目和國家自然科學基金的資助。