由中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所夏新界研究員領銜的科研團隊近日在水稻粒型、粒重及非生物耐逆性調(diào)控功能基因研究獲得新進展。
水稻是重要的糧食作物，水稻育種的首要目標是提高產(chǎn)量。非生物逆境（干旱、洪澇、高/低溫、鹽堿等）通常會嚴重影響到水稻的生長及產(chǎn)量，而水稻粒形則是與稻谷產(chǎn)量和稻米品質(zhì)都直接相關的重要農(nóng)藝性狀之一。如何提高水稻耐逆能力，保持其在非生物逆境條件下的產(chǎn)量，保障我國糧食安全，對我國乃至世界農(nóng)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
基于此，該科研團隊采用Affymetrix基因芯片系統(tǒng)與含51，279 個轉錄本的水稻表達芯片，并結合qRealtime-PCR分析驗證篩選得到目標基因OsSGL(STRESS_tolerance and GRAIN_LENGTH)。OsSGL是一個一因多效的關鍵基因，定位于細胞核，具有轉錄自激活活性，在5個秈稻、粳稻品種中過量表達該基因，能明顯增加粒長（増24.8%）、粒重（増16.3%），改良水稻穗形、株形，同時提高米質(zhì)。細胞學觀察發(fā)現(xiàn)，穎花細胞數(shù)目的增加，細胞體積縱向增大是粒長增加的主要原因。結合基因芯片數(shù)據(jù)和qReal-time PCR兩者數(shù)據(jù)篩選下游調(diào)控基因，初步推測OsXCL基因可能位于細胞分裂素（Cytokinin, CK）信號傳導途徑上游，通過細胞分裂素A類應答調(diào)節(jié)子OsRRs作用于下游響應基因，如細胞周期G1/S期相關基因，促進頂端分生組織細胞有絲分裂以增加細胞數(shù)目，增加細胞體積，同時調(diào)節(jié)細胞的軸向性生長，最終增加水稻籽粒大小和產(chǎn)量，調(diào)控水稻生長發(fā)育。進一步研究發(fā)現(xiàn)，OsSGL基因能同時正向調(diào)控水稻的耐非生物逆境，如旱性、高鹽、低溫等能力。
糧食高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)是植物基礎科學和應用科學研究的兩個最重要目標。大多數(shù)已克隆的控制水稻粒形、粒重的重要基因為負調(diào)控基因，且某些基因功能的行使需要不同遺傳背景下的特異遺傳因子。而水稻粒形變大、粒重增加常常帶來稻米品質(zhì)下降問題，因此，其實際育種應用還有一定難度。而OsSGL基因則可做為新的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、“理想株型”超級稻分子選育候選基因直接應用于生產(chǎn)實踐。對該基因分子作用機理的深入挖掘也為水稻組織器官生長發(fā)育及逆境響應協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡研究開辟新的道路。
該研究成果近期以OsSGL, a novel pleiotropic stress-related gene enhances grain length and yield in rice為題，發(fā)表在Nature子刊Scientific Reports上。該研究得到了亞熱帶生態(tài)所公共技術服務中心的大力支持，該研究也得到了國家自然基因、湖南省自然科學基金等項目的資助。
圖1 OsSGL基因轉入多個水稻品種中過量表達使水稻粒長增加