水稻起源于热带地区，属于低温敏感作物，低温严重限制水稻在高纬度、高海拔地区的种植。我国平均每4到5年就会发生一次大规模的冷害，孕穗期冷害每年造成水稻减产约为300万到500万吨。黑龙江省是我国优质水稻的主产区，但该地区水稻孕穗期冷害频繁发生，孕穗期耐冷性和稻瘟病抗性一样，是黑龙江省水稻品种审定的必须前提。解决水稻孕穗期冷害问题对于保证我国粮食安全，具有十分重要的现实意义。然而，目前已报道的孕穗期耐冷调控基因，需要过表达来提高孕穗期耐冷性或存在生长缺陷的表型，这限制了它们在育种上的应用。因此，有必要去分离新的孕穗期耐冷基因并应用于孕穗期耐冷品种选育。
近日，东北地理所水稻分子育种学科组卜庆云研究员团队在国际学术期刊The Plant Cell上在线发表了题为“WRKY53 negatively regulates rice cold tolerance at the booting stage by fine-tuning anther gibberellin levels”的研究论文，该研究发现水稻转录因子OsWRKY53通过负调控花药GA含量，来调控水稻孕穗期耐冷性。
该团队在研究中发现OsWRKY53受孕穗期低温诱导上调表达，OsWRKY53-OE表现为花粉育性差、结实率低，而oswrky53突变体在孕穗期低温胁迫后，相比于野生型植株结实率高、花粉活力强，这表明OsWRKY53可以负调控水稻孕穗期耐冷性。
进一步研究发现，低温胁迫后oswrky53突变体花药中GA含量显著高于野生型，且oswrky53突变体植株中GA生物合成基因（OsGA20ox1、OsGA20ox3、OsGA3ox1）表达量显著高于野生型。生化实验表明OsWRKY53能够直接结合并抑制这些GA生物合成基因的表达。遗传学实验也进一步证明OsWRKY53在调控水稻孕穗期耐冷性上位于GA生物合成基因的上游。以上结果表明，OsWRKY53通过抑制GA生物合成基因的表达来调控花药GA含量，负调控水稻孕穗期耐冷性。
此外，研究发现，GA信号途径负调控因子OsSLR1可以与调控绒毡层发育的转录因子OsUDT1/OsTDR互作，并抑制后者的转录活性；而GA可以解除OsSLR1对OsUDT1/OsTDR的抑制，来提高绒毡层发育相关基因的表达，从而正调控水稻的育性。
重要的是，oswrky53突变体在正常条件下不影响水稻的产量，但在低温胁迫后产量会显著高于野生型对照。同时，在黑龙江省主栽品种稻花香2号和龙稻16号背景中，敲除OsWRKY53基因均可以显著提高孕穗期耐冷性，说明OsWRKY53是一个具有重要潜在应用价值的孕穗期耐冷基因。
该研究揭示了OsWRKY53转录抑制GA生物合成基因来调控花药中GA含量，从而负调控水稻孕穗期耐冷性；GA通过解除OsSLR1对OsUDT1/OsTDR的抑制，来调控水稻育性；不同优良品种背景下oswrky53水稻材料孕穗期耐冷性显著提高，且低温胁迫条件下oswrky53突变体植株产量显著高于对照。该研究为水稻孕穗期耐冷分子育种提供有价值的位点。
有趣的是，该团队在前期的工作中发现，OsWRKY53是水稻BR信号的正调控因子，oswrky53突变体株型紧凑、直立，虽然由于粒型变小导致了千粒重的下降，但是分蘖数显著增加，最终使单株产量与野生型无异。此外，其它研究团队也有报道oswrky53突变体植株能够提高水稻白叶枯病、纹枯病及二化螟的抗性。这些结果暗示着oswrky53水稻材料在不同生物及非生物胁迫下可能有着潜在的育种应用价值。在未来，我们将在不同主栽品种背景下获得oswrky53水稻材料，综合评价其田间表现。
中科院东北地理与农业生态研究所特别研究助理唐佳琦与副研究员田晓杰为该论文第一作者，卜庆云研究员为通讯作者。南京农业大学赵志刚教授、王春明教授，东北林业大学管清杰副教授也参与了该项目的研究。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略重点研究计划联合资助。
论文信息如下：
Jiaqi Tang#, Xiaojie Tian#, Enyang Mei, Mingliang He, Junwen Gao, Jun Yu, Min Xu, Jiali Liu, Lu Song, Xiufeng Li, Zhenyu Wang, Qingjie Guan, Zhigang Zhao, Chunming Wang, Qingyun Bu*. (2022). WRKY53 negatively regulates rice cold tolerance at the booting stage by fine-tuning anther gibberellin levels, The Plant Cell.
https://doi.org/10.1093/plcell/koac253
