在水稻生长发育过程中，苗期和孕穗期是两个对低温胁迫非常敏感的阶段，但调控两个时期的分子模块鲜有报道，解析水稻低温信号调控网络、挖掘关键调控基因和开展分子设计育种，是解决该问题的有效措施之一。中国科学院植物研究所种康院士团队发现能同时控制两个时期的耐寒分子模块，驯化选择的COG3调控光系统II蛋白D1的周转影响水稻耐寒性。具有育种分子设计的应用潜力。
种康院士团队长期开展水稻耐低温研究，发现了一系列关键调控网络和分子，包括低温感受器COLD1及其下游叶绿体中调控亚网络（Cell, 2015; Cell Rep, 2021）、磷酸化修饰和转录因子途径（Dev Cell, 2017; JIPB, 2019; Plant Cell Environ; 2021）、蛋白构象改变以及DNA损伤修复等（New Phy, 2020; EMBO J, 2023; Sci Adv, 2023）。他们与扬州大学梁国华教授一起克隆到粳稻中耐冷QTL主效基因（Chilling tolerance in Geng）COG1和COG2（Nat Commun, 2023; Theor Appl Genet, 2023），COG1和COG2分别通过膜定位的受体蛋白复合体和细胞壁结构调控耐寒性。尽管目前克隆了一些在水稻不同发育时期发挥作用的耐寒基因，但是只有少数基因被证明在水稻苗期和孕穗期同时具有调控作用。
近期，他们与扬州大学梁国华教授以及植物所郭亚龙研究员合作，克隆并验证了粳稻中COG3基因对水稻苗期和孕穗期的调控作用。基于表型鉴定和序列分析，发现COG3的启动子序列在耐冷粳稻日本晴和冷敏感籼稻93-11之间存在多个位点变异，而且部分变异导致了COG3表达模式改变，这些变异位点在粳稻驯化过程中经历了明显的选择。低温诱导的COG3与叶绿体中的蛋白水解酶OsFtsH2互作，有效清除受低温损伤的D1蛋白，平衡D1蛋白的周转，进而维持光合效率而调控水稻的耐寒性。该研究证明，驯化选择的高表达蛋白COG3在低温时对叶绿体光系统II关键组分（OsFtsH2-D1）发挥维护作用，揭示了水稻耐低温胁迫的一种新机制，也为水稻耐寒分子设计育种提供了新的候选模块。
该研究成果于2024年1月3日在线发表在国际学术期刊 New Phytologist上。中国科学院植物研究所刘栋峰博士为论文的第一作者、种康院士为通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和NSFC的资助。