2022-12-08 09:58:04
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)和高彩霞團(tuán)隊(duì)找到了調(diào)控水稻、小麥穗發(fā)芽問題的兩個(gè)“開關(guān)”，包括負(fù)調(diào)控種子休眠的關(guān)鍵基因SD6，和正調(diào)控種子休眠的基因ICE2。研究者認(rèn)為兩個(gè)基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發(fā)芽導(dǎo)致的大規(guī)模農(nóng)業(yè)損失提供解決方法。該成果12月6日在線發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》雜志。
種子休眠是指種子在適合它生長的條件（溫度、水分和氧氣等）下仍不能發(fā)芽的現(xiàn)象，是多數(shù)高等植物所共有的特點(diǎn)。作物馴化過程中由于更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲及耐受逆境性狀，同時(shí)保證在生產(chǎn)中種子具有一致的萌發(fā)特性，常常忽視了對(duì)種子適度休眠的保留，從而導(dǎo)致很多作物如水稻、小麥會(huì)發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象（種子收獲前成熟期如遇連陰雨不能及時(shí)收獲，常出現(xiàn)部分籽粒在穗上發(fā)芽的現(xiàn)象），嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。僅在面包小麥中，全球每年由于穗發(fā)芽造成的損失就要高達(dá)10億美元。
2020年中國各地水稻穗發(fā)芽情況。
在中國南方水稻栽培區(qū)，受收獲季節(jié)梅雨的影響，穗發(fā)芽會(huì)造成常規(guī)稻6%栽培面積的損失，而雜交稻的損失則高達(dá)栽培面積的20%。近年來，隨著全球氣候變暖，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上水稻小麥等在后期成熟期常常遭遇連陰天氣，使得穗發(fā)芽災(zāi)害頻繁發(fā)生。如我國長江中下游以及黃淮地區(qū)等冬小麥主產(chǎn)區(qū)在2013、2015及2016年均遭受嚴(yán)重的穗發(fā)芽災(zāi)害。在2016和2020年，受臺(tái)風(fēng)影響，江浙地區(qū)水稻、玉米等也暴發(fā)大面積穗發(fā)芽，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。
更為嚴(yán)重的是，在作物制種后期如發(fā)生連綿陰雨天氣，引起穗發(fā)芽將對(duì)制種產(chǎn)業(yè)造成難以估量的損失，甚至影響下季播種。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關(guān)鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機(jī)制，挖掘其優(yōu)良等位變異，對(duì)解決水稻等作物穗發(fā)芽災(zāi)害至關(guān)重要。
然而，種子休眠是一個(gè)極其復(fù)雜的農(nóng)藝性狀，受到大量數(shù)量性狀位點(diǎn)的調(diào)控，因此，克隆調(diào)控種子休眠基因一直面臨諸多瓶頸。中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)通過利用強(qiáng)休眠的水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種日本晴構(gòu)建染色體單片段代換系，成功地從強(qiáng)休眠水稻品種中克隆到一個(gè)控制水稻種子休眠的關(guān)鍵基因SD6，并證實(shí)了SD6負(fù)調(diào)控水稻種子休眠。通過篩選SD6互作蛋白，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉(zhuǎn)錄因子ICE2，且ICE2正調(diào)控種子休眠。
植物激素脫落酸（ABA）是調(diào)控植物休眠萌發(fā)的主要內(nèi)因。通過分子生物學(xué)、遺傳及生化等技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了SD6/ICE2分子模塊通過直接或間接地調(diào)控ABA的合成或代謝基因，進(jìn)而調(diào)控水稻種子ABA含量以及種子休眠。
種子休眠既受遺傳調(diào)控，也可通過種子所處環(huán)境來調(diào)節(jié)。溫度是影響種子休眠和萌發(fā)最主要的環(huán)境因子。溫暖環(huán)境通常能解除種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)，而低溫則使種子維持休眠狀態(tài)。種子通過這種感知外界環(huán)境的能力，可以讓種子度過不利環(huán)境條件，如冬季低溫等。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)SD6/ICE2分子模塊是能夠感知周邊環(huán)境溫度的種子休眠調(diào)控因子：在常溫條件下，SD6基因表達(dá)維持高水平，發(fā)揮其功能，而ICE2基因功能則受到明顯抑制，從而促進(jìn)種子萌發(fā)；在低溫條件下，SD6基因功能則受到明顯抑制，ICE2基因表達(dá)量上調(diào)，進(jìn)而發(fā)揮功能，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。即通過感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2此消彼長，進(jìn)一步控制種子中ABA含量，從而調(diào)控種子休眠強(qiáng)度，確保其適應(yīng)自然季節(jié)更替，繁衍成功。
研究團(tuán)隊(duì)通過基因編輯技術(shù)對(duì)水稻易穗發(fā)芽品種天隆619、武運(yùn)粳27號(hào)以及淮稻5號(hào)中的SD6基因進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)改良的水稻材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣，其穗發(fā)芽情況顯著改善。
有意思的是，高彩霞團(tuán)隊(duì)對(duì)小麥品種“科農(nóng)199”的TaSD6基因進(jìn)行改良，也可以大大提高小麥穗發(fā)芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥控制種子休眠的功能是保守的。這些研究成果都表明，SD6在水稻、小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中具有重要應(yīng)用價(jià)值。
SD6/ICE2分子模塊作用模型及應(yīng)用實(shí)例。a圖為SD6/ICE2分子模塊作用模型示意圖。b圖為改良前后水稻品種穗發(fā)芽情況。c圖為改良前后小麥品種穗發(fā)芽情況。
儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)已畢業(yè)博士生徐凡、唐久友副研究員、高彩霞團(tuán)隊(duì)博士后王升星、儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)博士后程曦為該論文共同第一作者。該項(xiàng)研究得到了科技部G2P項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金的支持。
返回頂部