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日本名古屋大学发现两个水稻“抗涝基因”:可短时间内控制调节作物生长高度

2020-07-20 16:52 前瞻网   

“身高”对植物很重要,尤其是对惯于生长在低涝区的作物——水稻而言就更是如此。

最近,日本名古屋大学的研究人员发现了两个共同帮助控制水稻植株高度的“抗涝基因”:一个加速茎杆的伸长,另一个起到“刹车”的作用。

日本名古屋大学发现两个水稻“抗涝基因”:可短时间内控制调节作物生长高度

加州大学河滨分校水稻生物学家朱莉娅·贝利-塞雷斯(Julia Bailey-Serres)评论称:“这可能是工具箱里又一个伟大的工具。”

一株较矮的水稻,显然可以更好承受自身的重量,不那么容易弯曲折断;但高大的植物,更能在长时间的洪水中生存。在20世纪中期,植物育种家通常选择茎秆较短的小麦和水稻品种——这些植物将更多的资源用于种植谷物,在大风或大雨中不太可能倒塌。生物学家后来发现,这些变种在发育的特定时期,产生的一种叫做赤霉酸(GA)的激素较少,或者不能对这种激素的信号做出反应,最后达不到延长茎干得效果。这些突变的副作用包括:在干旱易发地区,幼苗有时会过早地从地里长出来。显然,在某些情况下,农民们可能会思考一个问题:能不能有个“开关”控制水稻在短时间内快速长高/停止长高?

“防涝水稻”指的是日本研究人员发现的一种防涝水稻基因。该水稻可正常生长高度约1米高,但是如果遭到洪水淹没,这种水稻可以快速作出反应,茎干能迅速长长数米多高,长出空心的“通气管”,让水稻在水中也不会“溺水而死”。这项研究成果意味着分子生物学家与植物种植者之间进行的一次完美合。

名古屋大学的植物分子遗传学家Motoyuki Ashikari和他的同事们一直在研究能在洪水中存活较长的水稻品种,这些品种可以长得更高更快,如果需要的话——可以每天长高25厘米。这种所谓的“深水水稻/防涝水稻”种植在三角洲地区,主要是在东南亚,在那里季节性的缓慢洪水可以涨到一米甚至更深。先前的研究表明,当植物被淹没在水中时,乙烯气体会在植物的组织中积聚,从而触发GA的产生。Ashikari和他的同事想知道GA是如何诱使水稻的茎在深水品种上生长的。

研究小组比较了一种深水水稻和另一种只能在浅水中生长的水稻的DNA。他们很快找到了这两个基因,并将其命名为ACE1(节间伸长的加速器)和DEC1(节间伸长的减速器)。温室实验显示了这种基因的作用:研究人员日前在《自然》(Nature)杂志上报道,在深水水稻中,当植物被水覆盖时,ACE1就会启动,刺激茎干中的细胞分裂,帮助它们生长。而实验中典型的浅水品种在ACE1中有突变,因此在被水淹没时没有延长茎杆的灵活调节机制。

在其他实验中,研究小组还发现DEC1这种基因会抑制植物茎的生长。DEC1在浅水品种中很活跃,当这些植物被洪水淹没时,它仍然很活跃,基本上保持了对茎的生长的抑制。相反,当深水水稻暴露在洪水中,“刹车”就会松开:DEC1停止表达,进一步允许茎的生长。

利兹大学的植物生物学家Laura Dixon说,如果植物育种家或分子生物学家能够控制这两种基因,他们或许就能在不改变GA水平的情况下调整植株的高度——甚至可能是水稻以外的作物。这意味着GA将继续正常地影响植物的其他部分。康奈尔大学的水稻生物学家Susan McCouch称,这两个新基因就像是植物高度的一个简单的“调节开关”。

科学家们说,如果该系统也适用于其他植物,那么它可能会在多种作物的培育中发挥作用。研究显示,这两个基因也存在于甘蔗、大麦和已得到充分研究的牧草中。Ashikari认为,它们可能在其他重要的农业作物中广泛发生。另一种重要的作物玉米,其基因与ACE1类似,但它的基因与DEC1只有部分相似。尽管如此,拥有两种基因的物种的范围使这项新发现具有“重大意义”。

这些基因可能帮助水稻育种家改良已经能应对季节性洪水的低产水稻品种,或者利用高产的矮杆品种培育新品种。Bailey-Serras说,如果这种方法在其他工厂也能奏效,它甚至可以帮助那些因为气候变化而遭受更频繁洪水的地区设计抗洪作物。据BBC报道,亚洲和非洲等一些地方,多达40%的水稻作物都会遭到各种程度的洪水灾害影响。这样的努力将完全取决于目标作物中的基因是否有反应,但是,这将对农民产生很大的影响,他们可能不再需要担心雨季带来的严重水灾了。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://www.sciencemag.org/news/2020/07/new-genes-control-plant-height-could-lead-flood-proof-crops

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责任编辑: 3976DBC

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