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中日科學家揭示水稻應對威脅的重要“生化武器”

發布時間:2020-05-15來源:浙大新聞辦作者:柯溢能0

水稻的一生有兩大主要的威脅,一是稻瘟菌像瘟疫一樣令其害病,另一個則是與水稻競爭生長空間的田間雜草。

這其中,稗草是水稻不斷較量的“頭號敵人”。根據國際糧農組織(FAO)估計,雜草每年造成的損失高達950億美元。在適者生存的自然規則面前,水稻也進化出了自己對抗稗草的“生化武器”——稻殼素。這是一種防御性的次生代謝產物,通過根系分泌,進而抑制其他周邊稗草等植物的生長。

過去5年里,浙江大學農業與生物技術學院樊龍江教授團隊聯合日本科學家團隊努力攻關,首次揭示了相關基因在基因組上成簇排列是防御性化感化合物稻殼素合成的關鍵,同時證實這樣的基因成簇進化事件,通過趨同進化在植物界已至少獨立發生了多次。

北京時間5月14日,這項成果在知名期刊《美國科學院院報》(PNAS)發表。浙江大學農業與生物技術學院博士生毛凌峰和日本東京農工大學Hiroshi Kawaide教授為該論文共同第一作者,樊龍江教授和東京大學Kazunori Okada教授為共同通訊作者。美國弗吉尼亞大學Micheal Timko教授、日本帝京大學Hisakazu Yamane教授等共同參與該研究。

揭秘殺手锏稻殼素的產生機制

眾所周知,農民為了更好應對以稗草為主的稻田雜草,需要至少噴打兩次除草劑,一來會造成農藥殘留,同時也會污染土壤和增加生產成本?!叭绻粐姵輨?,到了成熟季節,稻田里就看不到水稻了?!狈埥榻B。

因此稻殼素的生化武器作用,對于未來育種具有重要作用,從而探究稻殼素的生成機制顯得尤為必要。

目前已知自然界植物中能夠生產稻殼素的只有水稻、大灰蘚以及稗草。中日科學家已分別對水稻和稗草產生稻殼素的機制中發現,基因成簇似乎是必要條件。

何為基因成簇?

就是在同一條染色體上,合成稻殼素的基因比較密集的排列在一起,呈簇狀。這就好像一個工業園上下游產業集聚在一起,能夠快速的將原料送到下游進而生產。樊龍江說:“基因簇在進化上有選擇優勢,快速合成,防御抵御外來的影響?!?/p>

那么,是不是要產生稻殼素,就必須要基因成簇。于是課題組對尚未了解機理的大灰蘚開展研究(圖1)。

為此,中日科研人員通力合作,通過基因組學、酶學和基因功能研究,發現大灰蘚基因組上稻殼素合成相關基因的確同樣成簇存在,并參與稻殼素合成?;谝褱y序的100多個植物基因組序列大規模分析,發現目前在植物界中只有上述三個物種進化出稻殼素基因簇(圖2)。雖然一些植物也進化出稻殼素合成相關關鍵基因,但它們沒有在基因組上緊密排列成簇,因此無法合成稻殼素。

圖1 大灰蘚(C.plumiforme)及其與另外一個苔蘚植物(P. patens)基因組進化

樊龍江說,很多植物中都進化出了稻殼素合成相關基因,但是他們都不能合成稻殼素。研究發現,這些物種的基因沒有成簇,只是零散的在各條染色體上,沒有聚集。所以說,最后結論,植物合成稻殼素,基因簇的進化很重要。

圖2 水稻(O. sativa)、稗草(E. crus-galli)和大灰蘚(C.plumiforme)基因組中稻殼素基因簇情況

稻殼素的產生是物競天擇的獨立結果

隨著研究的深入,中日科學家對稻殼素合成的基因簇陷入了更深的思考:它們是從古老的祖先物種中遺傳而來,還是各自獨立進化?

科研人員發現,是物競天擇的獨立進化事件?!耙簿褪钦f,未來還可能發現具有稻殼素的其他植物?!狈埥f。

稗草是惡性雜草,競爭力強,不防治,稻田就是他的天下。

既然水稻和其重要對手稗草,都具有殺傷性的稻殼素?那么兩者競爭孰強孰弱,為什么水稻還會敗下陣來?

樊龍江團隊早前的研究已經揭示,稗草還有一種秘密生化武器——丁布。目前科研人員正在篩選對丁布不敏感,但又能產生大量稻殼素的水稻品種,這將對未來綠色育種產生積極影響?!爸参锖铣纱罅看紊x產物,我們的研究對于認識這些物質合成和進化機制具有意義,應該會有廣泛影響?!彼f。

該研究得到國家和浙江省自然科學基金資助。

論文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2020/05/13/1914373117

(文 柯溢能/圖片由課題組提供)

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