水稻耐冷性研究进展及建议
摘要：低温冷害是水稻减产的主要原因之一。就低温胁迫对水稻的危害性、水稻冷害类型及鉴定指标、水稻耐冷性遗传及QTL（数量性状基因座）研究、水稻耐冷信号传导及转录因子调控方面进行了概述。介绍了水稻耐冷性研究中存在的一些问题，并提出了相应的对策和建议。
关键词：水稻;耐冷;数量性状基因座;转录因子
Advances and Suggestion of Cold Tolerance of Rice
Abstract： Chilling injury is one of the main reasons causing the decrease of rice yield. The effects of low temperature stress on rice， types of cold injury in rice and identification indicators of cold tolerance of rice， genetics and QTLs（quantitative trait loci） of cold tolerance of rice， signal transduction and regulation of transcription factors of cold tolerance of rice were reviewed. Problems and advices of studying cold tolerance of rice were proposed.
Key words： rice; cold tolerance; QTL; transcription factor
1 低温对水稻的影响
低温冷害会导致水稻生长缓慢或非正常生长的现象，这是由于低温条件下，植株体内酶活性降低，结构蛋白和非结构蛋白合成速率降低，细胞膜流动性降低，ROS（Reactive oxygen species，活性氧簇）含量的增加，抗氧化酶活性呈现先升后降趋势，活性氧产生和清除的平衡机制被打破，导致各种生理机能遭受到破坏，进而使得水稻表现出植株矮小、叶片窄小缩短，生长发育受到阻碍，严重的则导致水稻植株死亡。同时，冷胁迫下的水稻植株体内会发生一系列复杂的适应低温环境的生理生化变化，耐冷相关因子活性改变，激素的增加与减少，光合速率、呼吸作用及蒸腾速率的减弱，从而增强其对低温条件的抗性并减小低温环境对其伤害[9-12]。倒春寒是南方早稻播种育秧期的主要灾害性天气。长江中下游及华南地区的早稻孕穗扬花期还可能遭遇五月寒。寒露风是南方晚稻生育期的主要气象灾害之一。9月中下旬是长江中游双季晚稻的抽穗扬花期，易受“寒露风”危害，造成“翘穗头”、“包颈穗”、“白颖”现象。研究表明，低温冷害严重影响水稻生长发育，早稻苗期和芽期遭遇低温会导致出芽时间延长、烂种、秧苗不发、烂秧、死苗、生长发育延迟，最终导致产量减少[13];孕穗期低温往往容易造成水稻空壳率大幅上升，降低单位面积产量;而抽穗期和灌浆期低温往往降低水稻的灌浆速率和稻米品质[14]。
2 水稻冷害类型及鉴定指标
3 水稻耐冷性遗传及QTL研究
水稻耐冷性是一种受基因控制的可遗传性状（表1，-表示目前没有查到相关研究）。近年来许多研究者对水稻耐冷性进行了遗传特征研究，主要有以下4种观点：①水稻耐冷性是受质量性状控制的质量性状;②水稻耐冷性是受多基因控制的数量性状;③水稻耐冷性由基因的加性效应及加性互作效应共同控制;④水稻耐冷性为加性-显性遗传模型。
4 水稻耐冷信号转导及转录因子调控
植物在感受低温信号后，通过信号转导过程调控细胞内抗冷相关蛋白的表达，进而调整自身的生理状态或形态来适应低温环境。随着检测出的耐冷相关基因的增多及转录因子对耐冷性调节的作用发现，转录因子同时调控下游许多抗逆基因的表达[35]。转录因子包括组成型和诱导型，植物抗逆性转录因子大致分为WRKY类、MYB类、bZIP类、NAC类和AP2/EREBP类五类。研究表明，耐冷信号转导包括ABA（Abscisic acid，脱落酸）依赖型和ABA非依赖型[36，37]。ABA依赖型信号转导依赖于内源ABA的积累或外源ABA的处理，其信号转导的具体调控机理尚未阐明。非依赖型是通过膜的流动性和蛋白构象的变化感受冷信号，然后激活Ca2+通道，诱导胞质Ca2+的瞬时增加[38]，而Ca2+的增加导致CBF（C-repeat-binding factor）和COR （Cold-regulated protein，低温调节蛋白）基因的高表达，提高植物耐冷能力。
由植物冷驯化的信号传导网络图[39]得出，转录因子在植物耐冷信号转导中起着重要的作用，转录因子可以激发功能基因表达或抑制功能基因的表达，进而调控下游更多的耐冷功能基因发挥作用，使植物更快地适应低温环境。CBF是含有一个保守结构域AP2/EREBP，调节植物对低温、干旱等逆境分子应答的转录因子，其表达翻译受bHLH类转录激活因子ICE的调控，CBF可结合到COR基因的顺式作用元件CRT/DRE上诱导一系列COR基因的表达。ICE-CBF-COR途径是目前已知的低温信号转导途径中非常重要的环节。另一个重要的途径是FLC依赖途径SOC1-CBF-FLC，FLC又反馈抑制SOC1的表达。有研究者认为FLC能显著增强植物耐冷性[40]。Seo等[35]通过敲除和过量表达SOC1，认为SOC1可以负调控CBFs和COR等其他耐冷基因。 5 存在的问题及展望
随着分子生物学的长足进展以及分子标记、QTL定位、高通量测序及SNP（Single nucleotide polymorphisms，单苷酸多态性）等技术的创新，研究者已定位并克隆出一些水稻耐冷基因，并且试图通过在水稻中导入耐冷基因，进行水稻抗冷害育种，育种实践中，同时研究耐冷基因的耐低温的作用机理。随着分子标记的迅速发展以及水稻全基因组测序的完成，分子标记辅助选择育种（MAS）越来越凸显出其相对于传统育种方法的优势[45]。育种实践中，首先应选择有目标性状的种质资源，与当地主推种植水稻品种构建重组自交系、等基因系等标记群体，利用RFLP（Restriction fragment length polymorphism，限制性内切酶片段长度多态性）、RAPD（Random amplified polymorphic DNA，随机扩增多态性DNA标记）、SSR（Simple sequence repeats）等标记技术及已公布的耐冷标记位点，将已定位出的精细耐冷QTL位点聚合到当地种植水稻品种中，并开发优良的分子标记;然后利用田间表型观察和分子标记辅助育种相结合的方法观察不同耐冷QTL之间及其与环境间的互助效应，从而加快耐冷品种的选育进度和准确度，更快地选育出适合相应稻区稳产高产的耐冷品种，为粮食安全生产奠定基础。
参考文献：
[16] NISHIYAMA I. Effects of temperature on the vegetative growth of rice plants[A]. Proceedings of the Symposium on Climate and Rice[C]. Manila： IRRI，1976.159-185.
[20] SANG-IC K， THOMAS H T. Evaluation of seedling cold tolerance in rice cultivars： a comparison of visual ratings and quantitative indicators of physiological changes[J]. Euphytica， 2011，178（3）：437-447.
[21] CHUNG G S. The rice cold tolerance program in Korea[A]. Report of a Rice Cold Tolerance Workshop[C]. Manila： IRRI.1979.7-19.
[26] 饶玉春，杨窑龙，黄李超，等.水稻耐冷胁迫的研究进展[J].分子植物育种，2013，11（3）：443-450.
[27] TAKEUCHI Y， HAYASAKA H， CHIBA B， et al. Mapping quantitative trait loci controlling cool-temperature tolerance at booting stage in temperate Japonica rice[J]. Breeding Science， 2001，51（3）：191-197.
[28] ANDAYA V C， MACKILL D J. Mapping of QTLs associated with cold tolerance during the vegetative stage in rice[J]. Journal of Experimental Botany，2003，54（392）：2579-2585.
[32] 严长杰，李 欣，程祝宽，等. 利用分子标记定位水稻芽期耐冷性基因[J].中国水稻科学，1999，13（3）：134-138.
[37] ISHITANI M， XIONG L， STEVENSON B， et al. Genetic analysis of osmotic and cold stress signal transduction in Arabidopsis： interactions and convergence of abscisic acid-dependent and abscisic acid-independent pathways[J]. The Plant Cell Online，1997，9（11）：1935-1949.
[39] YANG T， ZHANG L， ZHANG T， et al. Transcriptional regulation network of cold-responsive genes in higher plants[J]. Plant Science，2005，169（6）：987-995.
[42] 杨小红， 严建兵， 郑艳萍， 等. 植物数量性状关联分析研究进展[J]. 作物学报，2007，33（4）：523-530.
[43] LU Y， ZHANG S， SHAH T， et al. Joint linkage-linkage disequilibrium mapping is a powerful approach to detecting quantitative trait loci underlying drought tolerance in maize[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2010， 107（45）：19585-19590.
[44] YU J， HOLLAND J B， MCMULLEN M D， et al. Genetic design and statistical power of nested association mapping in maize[J]. Genetics，2008，178（1）：539-551.
[45] EATHINGTON S R， CROSBIE T M， EDWARDS M D， et al. Molecular markers in a commercial breeding program[J]. Crop Science，2007，47（S3）：154-163.