PNAS |太阳集团城娱8722李金杰/李自超团队揭示水稻CTS1调控耐冷性与稻瘟病抗性的双重机制
低温冷害与稻瘟病是制约水稻稳产与广适性的两大主要逆境。挖掘同时参与两类胁迫调控的关键基因，对于水稻多抗育种具有重要意义。2026年6月23日，太阳集团城娱8722李金杰/李自超教授团队与黑龙江省农业科学院水稻研究所联合，在PNAS期刊在线发表题为“Natural variation of CTS1 confers cold tolerance and blast resistance in rice”的研究论文，系统揭示了转录因子CTS1（OsWRKY74）同时调控水稻耐冷性与稻瘟病抗性的双重分子机制，为水稻抗逆遗传改良提供理论支撑与优异基因资源。
一、CTS1挖掘与启动子自然变异功能解析
为解析水稻耐冷性的遗传基础，研究团队利用300份核心种质资源进行苗期耐冷性全基因组关联分析（GWAS），在第9号染色体上定位到一个极显著关联位点（图1）。通过连锁不平衡分析和冷诱导表达模式筛选，确定LOC_Os09g16510为目的基因，该基因编码WRKY转录因子OsWRKY74，命名为CTS1（Cold Tolerance at the Seedling stage 1）。
图1 全基因组关联分析挖掘水稻耐冷基因CTS1
CTS1在自然群体中主要存在Hap1和Hap2两种单倍型，粳稻中以Hap1为主，籼稻中以Hap2为主，携带Hap1的种质耐冷性显著强于Hap2。编码区功能验证显示两种单倍型蛋白的转录激活活性无显著差异，在植株体内过表达两种单倍型的编码序列也表现出一致的冷敏感表型，表明编码区变异并不影响蛋白功能。启动子活性检测证实，起始密码子上游-1491 bp至-768 bp为关键功能变异区段，其中-1185 bp与-1075 bp两个SNP位点是导致Hap1表达量低的核心变异，进而解除对耐冷途径的抑制，赋予粳稻更强的低温耐受性。
为明确CTS1在不同生育阶段的耐冷功能，研究团队开展了苗期与孕穗期耐冷性鉴定。苗期低温处理后，cts1敲除株系的存活率显著升高，电解质渗漏率与MDA含量均低于野生型，表明膜损伤程度明显减轻，而过表达株系则表现出相反的冷敏感表型。孕穗期深冷水处理后，敲除株系的结实率与花粉可育率均显著优于野生型，过表达株系则表现为花粉败育和结实率大幅下降（图2）。上述结果表明，CTS1在水稻营养生长与生殖生长阶段均负向调控耐冷性。
图2 CTS1负向调控苗期与孕穗期耐冷性
二、CTS1通过抑制CTB2表达负向调控耐冷性
为解析CTS1的下游调控网络，研究团队结合转录组分析与分子互作实验（Y1H、EMSA、ChIP-qPCR），证实CTS1可直接结合甾醇葡萄糖基转移酶基因CTB2的启动子并抑制其转录，减少甾醇糖苷的合成，影响低温下细胞膜的稳定性（图3）。遗传互作分析显示，cts1 ctb2双突变体的冷敏感表型与ctb2单突变体一致，证实CTB2位于CTS1下游。外源施加谷甾醇糖苷（SSG）可部分恢复CTS1过表达株系的耐冷表型，明确了CTS1通过CTB2介导的甾醇糖苷代谢途径负向调控水稻耐冷性。
三、CTS1通过激活OsHSP90表达正调控稻瘟病抗性
DAP-seq与RNA-seq联合分析显示，CTS1的候选下游靶基因显著富集于植物-病原互作通路，且CTS1表达受稻瘟菌侵染显著诱导。抗病表型鉴定表明，CTS1过表达株系对稻瘟病的抗性显著增强，病程相关基因（OsPR1a、OsPR5等）的诱导表达明显增强；而cts1敲除株系则更感病（图4）。分子机制解析证实，CTS1可直接结合分子伴侣基因OsHSP90的启动子并激活其表达，正调控水稻免疫水平。
图4 CTS1正调控水稻稻瘟病抗性
四、CTS1的起源演化与育种应用潜力
演化分析显示，Hap1与中国普通野生稻Ruf1a亲缘最近，Hap2与南亚尼瓦拉野生稻Niv2亲缘更近，提示两种单倍型起源于不同野生稻祖先。地理分布上，Hap1主要分布于中国北方、日本、朝鲜半岛等高纬度地区，Hap2则主要分布于中国南方等低纬度地区（图5）。群体遗传分析表明，CTS1在温带粳稻中经历了正向选择。将Hap1导入优良籼稻品种9311构建近等基因系NIL-CTS1Hap1，其苗期耐冷性显著增强，证明该基因具有重要育种利用潜力。
图5 CTS1起源演化与调控模式图
该研究揭示了CTS1通过抑制CTB2-甾醇糖苷代谢途径负向调控耐冷性，通过激活OsHSP90表达正调控水稻稻瘟病抗性，为理解作物抗逆性状间的权衡关系提供了新视角，也为水稻耐冷与抗病性协同改良的分子设计育种提供了重要基因资源与靶点。
该研究由太阳集团tcy8722水稻种质资源、基因组学与分子育种（RGGMB）团队与黑龙江省农业科学院水稻研究所联合完成。太阳集团城娱8722在读博士生叶薇，黑龙江省农业科学院水稻研究所马文东研究员，太阳集团tcy8722博士后李颖秀，黑龙江省农业科学院水稻研究所郭震华研究员为论文共同第一作者；太阳集团城娱8722李金杰教授、李自超教授，黑龙江省农业科学院水稻研究所冯延江研究员为共同通讯作者。太阳集团tcy8722植物保护学院陈旭君教授团队在稻瘟病抗性鉴定中给予了关键性支持与指导，云南省农业科学院曾亚文研究员在耐冷表型鉴定中提供了重要帮助。太阳集团tcy8722张洪亮教授、张战营副教授、孙兴明副教授共同参与了此项研究。特别感谢中国科学院植物研究所罗伟副研究员惠赠宝贵的近等基因系材料，以及太阳集团tcy8722植物保护学院王瑞金老师惠赠稻瘟菌株系。本研究工作获得生物育种国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2529950123