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2020年中国四地水稻穗发芽情况。 中科院遗传发育所 供图

  中新网北京12月6日电 (记者 孙自法)作为中国两大主粮,水稻、小麦相关育种研究工作长期以来一直备受关注。

  来自中国科学院遗传与发育生物学研究所(中科院遗传发育所)的最新消息说,该所储成才团队和高彩霞团队通过合作研究,最新找到调控水稻、小麦穗发芽问题的一对基因“开关”,包括负调控种子休眠的关键基因SD6和正调控种子休眠的基因ICE2。

  研究团队认为,这一对基因“双剑合璧”,有望为因种子穗发芽导致的大规模农业损失提供解决方案。此项粮食作物领域的重要研究成果论文,北京时间12月6日凌晨在国际专业学术期刊《自然-遗传学》上线发表。

 

  中科院遗传发育所研究团队介绍说,种子休眠是指种子在适合它生长的条件(温度、水分和氧气等)下仍不能发芽的现象,是多数高等植物共有的特点。作物驯化过程中由于更多考虑高产、优质、抗病虫及耐受逆境性状,同时保证在生产中种子具有一致的萌发特性,常常忽视了对种子适度休眠的保留,从而导致很多作物如水稻、小麦会发生穗发芽现象(种子收获前成熟期如遇连阴雨不能及时收获,常出现部分籽粒在穗上发芽的现象),严重影响作物的产量和品质,造成巨大的经济损失。仅在面包小麦中,全球每年由于穗发芽造成的损失就高达10亿美元。

  在中国南方水稻栽培区,受收获季节梅雨的影响,穗发芽会造成常规稻6%栽培面积的损失,而杂交稻的损失则高达栽培面积的20%。近年来,随着全球气候变暖,农业生产上水稻小麦等在后期成熟期常常遭遇连阴天气,使得穗发芽灾害频繁发生。如中国长江中下游以及黄淮地区等冬小麦主产区在2013、2015及2016年均遭受严重的穗发芽灾害。在2016和2020年,受台风影响,江浙地区水稻、玉米等也爆发大面积穗发芽,造成严重减产。

  更为严重的是,在作物制种后期如发生连绵阴雨天气,引起穗发芽将对制种产业造成难以估量的损失,甚至影响下季播种。因此,找到水稻、小麦等控制种子休眠的关键基因,阐明种子休眠调控的分子生理机制,挖掘其优良等位变异,对解决水稻等作物穗发芽灾害至关重要。

SD6/ICE2分子模块作用模型及应用实例。 中科院遗传发育所 供图

  一对调控基因“开关”怎样被找到?

  虽然破解水稻小麦穗发芽问题迫在眉睫,但种子休眠是一个极其复杂的农艺性状,受到大量数量性状位点的调控,因此,克隆调控种子休眠基因一直面临诸多瓶颈。

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  在本项研究中,储成才团队通过利用强休眠的水稻品种“卡萨拉斯”和弱休眠水稻品种“日本晴”构建染色体单片段代换系,成功从强休眠水稻品种中克隆到一个控制水稻种子休眠的关键基因SD6,并证实SD6负调控水稻种子休眠。在此基础上,研究团队进一步通过筛选SD6互作蛋白发现另一水稻转录因子ICE2,而且ICE2正调控种子休眠。

  针对植物激素脱落酸(ABA)是调控植物休眠萌发的主要内因,研究团队通过分子生物学、遗传及生化等技术,揭示出SD6/ICE2分子模块通过直接或间接调控ABA的合成或代谢基因,进而调控水稻种子ABA含量以及种子休眠。

  种子休眠既受遗传调控,也可通过种子所处环境来调节。储成才团队研究发现,SD6/ICE2分子模块能够感知周边环境温度的种子休眠调控因子:常温条件下,SD6基因表达维持高水平,发挥其功能,而ICE2基因功能则受到明显抑制,从而促进种子萌发;低温条件下,SD6基因功能则受到明显抑制,ICE2基因表达量上调,进而发挥功能,从而使种子维持在休眠状态。

  研究成果实践应用效果如何?

  研究团队认为,通过感知外界环境温度变化,SD6/ICE2此消彼长,进一步控制种子中ABA含量,从而调控种子休眠强度,确保其适应自然季节更替,繁衍成功。

  基于调控水稻、小麦穗发芽问题的这对基因“开关”,在农作物育种的实际应用效果如何?

  储成才团队通过基因编辑技术,对水稻易穗发芽品种“天隆619”“武运粳27号”及“淮稻5号”中的SD6基因进行改良,结果显示,改良的水稻材料在收获期遭遇连绵阴雨天气,其穗发芽情况显著改善。

  与此同时,高彩霞团队对小麦品种“科农199”的TaSD6基因进行改良,结果也可以大大提高小麦穗发芽抗性,表明SD6基因在水稻和小麦控制种子休眠的功能是一样的。

  中科院遗传发育所表示,这些最新研究成果都表明,SD6/ICE2在水稻、小麦穗发芽抗性育种改良中具有重要应用价值。(完)

【编辑:刘欢】
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