2020-10-20 分子植物科學卓越創新中心
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近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心植物分子遺傳國家重點實驗室研究員朱新廣研究組在The Plant Journal上，發表題為Alterations in Stomatal Response to Fluctuating Light Increase Biomass and Yield of Rice under Drought conditions的研究論文，揭示水稻氣孔調控動態新機制，並用於創製抗旱水稻品系，為培育抗旱作物提供新思路。
提高水分利用效率是水稻耐旱性育種的關鍵。目前，學界已闡明極度乾旱條件下作物維持存活的調控機制，但是在實際生產的中等乾旱條件下，如何保證糧食穩產甚至增產的分子靶標尚未見報導。該研究提供了提高作物在生理乾旱下抗旱性的新途徑。
在田間條件下，作物長期處於高低光動態環境中。葉片氣孔是協調光合效率和水分利用效率的關鍵因子，葉片從高光轉換到低光動態過程中，氣孔關閉緩慢導致水分喪失，進而影響水分利用效率和耐旱性（Qu et al. 2016a；Qu et al. 2016b）。該研究以217份全球微核心種質資源為材料，通過全基因組關聯分析，發現在波動光狀態下調控氣孔關閉速度的基因NHX2。該基因屬於鈉離子與氫離子交換反向轉運蛋白，強烈受乾旱脅迫誘導表達；可通過影響質子跨膜電勢變化，調控保衛細胞膨壓，進而影響氣孔開關速度。乾旱條件下，過量表達該基因可提高其氣孔反應速度，但是CRISPR敲除株系比對照的氣孔反應速度慢，導致較大控制水稻的水分利用效率。通過對該水稻群體基因序列變異分析，研究人員發現該基因（包含啟動子和編碼區）共有3個單倍型，其中，具有單倍型III的水稻材料具有更快氣孔反應速度。為驗證單倍型I的生物學功能，研究人員構建以02428為供體（單倍型III）、明輝63為受體（單倍型II）的高代近等基因系；通過不同年限（2018年至2019年）和地點重複（上海、海南），證明在乾旱條件下，與明輝63對照相比，該近等基因系具有至少高於10%的小區產量。研究人員分析該群體的氣候起源環境發現，大多含有單倍型III的水稻材料起源於乾旱或半乾旱地區，單倍型II的材料起源於熱帶溼潤氣候。兩種材料群體起源地區的年均降水量相差3倍，表明水分環境選擇壓力對氣孔反應速度的遺傳效應發揮重要作用。
該研究提供調控氣孔動態的遺傳因子NHX2的優良等位變異信息，為篩選水稻耐旱分子育種關鍵靶點、緩和我國糧食生產與淡水資源缺乏之間的矛盾、確保我國糧食安全、調整優化農業結構、促進節水農業持續發展提供新思路。利用NHX2的基因變異，有利於培育抗旱性水稻品系、維護全球糧食安全。朱新廣研究組的副研究員曲明南為論文第一作者，朱新廣、研究員儲成才和陳根云為論文的通訊作者。研究工作得到中科院、國家自然科學基金和上海市科委的資助。
論文連結
NHX2的自然變異與氣孔動態變化和乾旱氣候環境高度相關
近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心植物分子遺傳國家重點實驗室研究員朱新廣研究組在The Plant Journal上，發表題為Alterations in Stomatal Response to Fluctuating Light Increase Biomass and Yield of Rice under Drought conditions的研究論文，揭示水稻氣孔調控動態新機制，並用於創製抗旱水稻品系，為培育抗旱作物提供新思路。
提高水分利用效率是水稻耐旱性育種的關鍵。目前，學界已闡明極度乾旱條件下作物維持存活的調控機制，但是在實際生產的中等乾旱條件下，如何保證糧食穩產甚至增產的分子靶標尚未見報導。該研究提供了提高作物在生理乾旱下抗旱性的新途徑。
在田間條件下，作物長期處於高低光動態環境中。葉片氣孔是協調光合效率和水分利用效率的關鍵因子，葉片從高光轉換到低光動態過程中，氣孔關閉緩慢導致水分喪失，進而影響水分利用效率和耐旱性（Qu et al. 2016a；Qu et al. 2016b）。該研究以217份全球微核心種質資源為材料，通過全基因組關聯分析，發現在波動光狀態下調控氣孔關閉速度的基因NHX2。該基因屬於鈉離子與氫離子交換反向轉運蛋白，強烈受乾旱脅迫誘導表達；可通過影響質子跨膜電勢變化，調控保衛細胞膨壓，進而影響氣孔開關速度。乾旱條件下，過量表達該基因可提高其氣孔反應速度，但是CRISPR敲除株系比對照的氣孔反應速度慢，導致較大控制水稻的水分利用效率。通過對該水稻群體基因序列變異分析，研究人員發現該基因（包含啟動子和編碼區）共有3個單倍型，其中，具有單倍型III的水稻材料具有更快氣孔反應速度。為驗證單倍型I的生物學功能，研究人員構建以02428為供體（單倍型III）、明輝63為受體（單倍型II）的高代近等基因系；通過不同年限（2018年至2019年）和地點重複（上海、海南），證明在乾旱條件下，與明輝63對照相比，該近等基因系具有至少高於10%的小區產量。研究人員分析該群體的氣候起源環境發現，大多含有單倍型III的水稻材料起源於乾旱或半乾旱地區，單倍型II的材料起源於熱帶溼潤氣候。兩種材料群體起源地區的年均降水量相差3倍，表明水分環境選擇壓力對氣孔反應速度的遺傳效應發揮重要作用。
該研究提供調控氣孔動態的遺傳因子NHX2的優良等位變異信息，為篩選水稻耐旱分子育種關鍵靶點、緩和我國糧食生產與淡水資源缺乏之間的矛盾、確保我國糧食安全、調整優化農業結構、促進節水農業持續發展提供新思路。利用NHX2的基因變異，有利於培育抗旱性水稻品系、維護全球糧食安全。朱新廣研究組的副研究員曲明南為論文第一作者，朱新廣、研究員儲成才和陳根云為論文的通訊作者。研究工作得到中科院、國家自然科學基金和上海市科委的資助。
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NHX2的自然變異與氣孔動態變化和乾旱氣候環境高度相關