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低温基因对于水稻产量至关重要。以此为出发点,我室前期克隆到了越冬稻经低温处理后,表达量有显著上调的基因,经酵母双杂交实验、双分子荧光互补实验证实,该蛋白可以与水稻G蛋白α亚基RGA1相互作用,推测是水稻中的G蛋白耦联受体,命名为OsGPCR1。
对水稻突变体gpcr1和超表达OsGPCR1水稻的表型分析发现,突变体表现出对低温和干旱更加敏感,种子萌发及幼苗发育都表现出对ABA不敏感；超表达OsGPCR1水稻对低温和干旱耐受性增强,在萌发及幼苗的生长阶段表现出对ABA更加敏感。进一步的芯片杂交数据表明,应答低温刺激的一些标志基因在转OsGPCR1正、反义水稻中呈现出相反的变化趋势。
钙离子作为第二信使,受到G蛋白偶联受体与G蛋白的调控。对水稻根尖实施非损伤微测,结果显示:在低温刺激后,野生型和OsGPCR1超表达材料的胞外钙内流迅速增强,但突变体变化不显著。另外,将胞质钙离子指示剂:水母发光蛋白(aequorin)转入水稻野生型Dongjin和gpcr1突变体中,检测转基因愈伤组织在低温刺激前后胞质钙离子浓度的变化,发现野生型在遭遇低温刺激后,胞质钙离子浓度上升幅度明显高于突变体。这些结果暗示冷信号可以通过细胞膜上的OsGPCR1传递到胞内,导致胞内钙信号的迅速增强,从而引发下游一系列抵御低温机制的启动,但是突变体中由于低温信号传递受阻,导致突变体呈现对低温更敏感的表型。
为系统了解OsGPCR1基因与水稻耐冷性的关系,我们分析了几十个水稻品种中OsGPCR1的单核苷酸多态性,发现低温耐受性较强的粳稻中该基因SNP2位点均为A,而籼稻均为T；进一步酶活性测定证明,粳稻的OsGPCR1能够激活RGAl的GTPase活性,而籼稻的OsGPCR1则抑制其活性。暗示OsGPCR1中SNP2对于水稻低温耐受性至关重要。说明粳稻的OsGPCR1可能通过加速RGA1的GTP形式向GDP形式转化,从而增强对低温的耐受性。
通过对OsGPCR1基因超表达拟南芥材料进行不同处理下的低温刺激前后胞质钙离子浓度的测量,表明胞外钙离子的流入、G蛋白及其下游的肌醇磷脂组分、内外源的ABA都参与了低温刺激引发的胞质钙离子浓度上升的过程。而且,OsGPCR1超表达拟南芥在低温刺激后,胞质钙离子浓度上升幅度高于对照。
综上所述,低温信号可能被质膜上的OsGPCR1感受并传递入胞内,通过两条可能的途径来传递信号:①直接介导胞外钙离子的流入,从而调节低温刺激诱发的钙信号；②加速RGA1的GTPase活性,从而激活肌醇磷脂系统,进而调节胞质钙离子浓度。之后钙离子作为第二信使将信息传递给下游的效应器:转录因子等,最终调控胁迫诱导基因的表达。