В рисоводстве фермеры обычно вносят азотные удобрения после воздействия низких температур, чтобы стимулировать возобновление побегов и уменьшить потери урожая. Хотя эта практика широко распространена, она увеличивает производственные затраты и негативно влияет на окружающую среду. Кроме того, молекулярный механизм, связывающий восстановление после низких температур с использованием азота, до сих пор был недостаточно изучен.
Теперь группа исследователей под руководством профессора Чонг Кана, физиолога растений, академика Китайской академии наук (CAS) и директора Института ботаники в Пекине, идентифицировала так называемый «интеллектуальный молекулярный модуль» — Chilling Phoenix (CHPO), который координирует устойчивость риса к холоду и использование азота, автоматически изменяя свою функцию в зависимости от условий окружающей среды. Во время холодового стресса CHPO повышает устойчивость к холоду. И наоборот, когда температура возвращается к норме, CHPO способствует поглощению азота и регенерации побегов в период восстановления. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
Для создания основы своего исследования ученые определили скорость регенерации побегов после охлаждения как ключевой показатель устойчивости к холоду. Впоследствии они использовали полногеномные ассоциативные исследования (GWAS), картирование локусов количественных признаков (QTL) и клонирование на основе карт, чтобы идентифицировать CHPO как ключевой генетический модуль, который совместно регулирует устойчивость к холоду и эффективность использования азота.
Исследователи выявили два аллеля: превосходный аллель, CHPO jap, произошел от китайского дикого риса и был положительно отобран в процессе одомашнивания риса японского типа умеренного климата. По сравнению с CHPO jap, аллель indica, CHPO ind, содержит другое количество GCG-повторов в своей кодирующей области, что приводит к различным реакциям на холод, предпочтениям связывания ДНК и противоположным эффектам в отношении устойчивости к холоду.
Механистический анализ показал, что CHPO jap динамически переключает свою регуляторную программу между фазами охлаждения и восстановления. Во время холодового стресса он накапливается в ядре и активирует гены, связанные с охлаждением, для повышения устойчивости к холоду. Во время восстановления он напрямую активирует ген транспортера азота OsNRT2.4, подавляя при этом OsTCP19, тем самым повышая эффективность использования азота и способствуя регенерации побегов.
«Для оценки селекционного потенциала этого молекулярного модуля мы разработали новую систему фенотипирования устойчивости к холоду, чтобы проверить селекционный потенциал CHPO jap, который имеет критически важное значение для сельскохозяйственного применения», — сказал Чонг Кан.
После воздействия низких температур растениям давали восстановиться в различных условиях азотного питания, прежде чем пересаживать их в поле для оценки урожайности. При всех вариантах азотного питания растения с избыточной экспрессией CHPO jap неизменно давали более высокий урожай зерна с одного растения и демонстрировали большую эффективность использования азота, чем растения дикого типа, в то время как мутанты CHPO показывали противоположный фенотип.
Полученные результаты продемонстрировали высокий селекционный потенциал CHPO jap как молекулярного модуля для молекулярно-дизайнерской селекции, направленной на повышение урожайности и эффективности использования азота в условиях после охлаждения.
Исследование раскрывает молекулярный механизм, который координирует устойчивость к холоду с эффективностью использования азота. Оно также дает генетическое объяснение давней сельскохозяйственной практике применения азотных удобрений для стимуляции повторного роста побегов после холодового стресса. Кроме того, оно предлагает молекулярный модуль и стратегию селекции для разработки климатоустойчивых сортов риса со стабильной урожайностью и эффективным использованием азота.
Глобальное изменение климата привело к увеличению частоты региональных похолоданий, вызывая значительные потери урожая и даже неурожай. Поэтому повышение устойчивости растений к стрессовым факторам и эффективности использования азота стало одной из главных задач устойчивого растениеводства.
Источник: Chinese Academy of Sciences. Автор: Лю Цзя.
На графике: ген qCR2 связан с устойчивостью к низким температурам и способностью риса к восстановлению. Источник: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10682-6