日本名古屋大學發現兩個水稻「抗澇基因」:可短時間內控制調節作物...

2020-12-09 前瞻網

日本名古屋大學發現兩個水稻「抗澇基因」：可短時間內控制調節作物生長高度

 Evelyn Zhang • 2020-07-20 10:20:30　來源：前瞻網　E889G0

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「身高」對植物很重要，尤其是對慣於生長在低澇區的作物——水稻而言就更是如此。

最近，日本名古屋大學的研究人員發現了兩個共同幫助控制水稻植株高度的「抗澇基因」：一個加速莖杆的伸長，另一個起到「剎車」的作用。

加州大學河濱分校水稻生物學家朱莉婭·貝利-塞雷斯(Julia Bailey-Serres)評論稱：「這可能是工具箱裡又一個偉大的工具。」

一株較矮的水稻，顯然可以更好承受自身的重量，不那麼容易彎曲折斷；但高大的植物，更能在長時間的洪水中生存。在20世紀中期，植物育種家通常選擇莖稈較短的小麥和水稻品種——這些植物將更多的資源用於種植穀物，在大風或大雨中不太可能倒塌。生物學家後來發現，這些變種在發育的特定時期，產生的一種叫做赤黴酸(GA)的激素較少，或者不能對這種激素的信號做出反應，最後達不到延長莖幹得效果。這些突變的副作用包括：在乾旱易發地區，幼苗有時會過早地從地裡長出來。顯然，在某些情況下，農民們可能會思考一個問題：能不能有個「開關」控制水稻在短時間內快速長高/停止長高？

「防澇水稻」指的是日本研究人員發現的一種防澇水稻基因。該水稻可正常生長高度約1米高，但是如果遭到洪水淹沒，這種水稻可以快速作出反應，莖幹能迅速長長數米多高，長出空心的「通氣管」，讓水稻在水中也不會「溺水而死」。這項研究成果意味著分子生物學家與植物種植者之間進行的一次完美合。

名古屋大學的植物分子遺傳學家Motoyuki Ashikari和他的同事們一直在研究能在洪水中存活較長的水稻品種，這些品種可以長得更高更快，如果需要的話——可以每天長高25釐米。這種所謂的「深水水稻/防澇水稻」種植在三角洲地區，主要是在東南亞，在那裡季節性的緩慢洪水可以漲到一米甚至更深。先前的研究表明，當植物被淹沒在水中時，乙烯氣體會在植物的組織中積聚，從而觸發GA的產生。Ashikari和他的同事想知道GA是如何誘使水稻的莖在深水品種上生長的。

研究小組比較了一種深水水稻和另一種只能在淺水中生長的水稻的DNA。他們很快找到了這兩個基因，並將其命名為ACE1(節間伸長的加速器)和DEC1(節間伸長的減速器)。溫室實驗顯示了這種基因的作用：研究人員日前在《自然》（Nature）雜誌上報導，在深水水稻中，當植物被水覆蓋時，ACE1就會啟動，刺激莖幹中的細胞分裂，幫助它們生長。而實驗中典型的淺水品種在ACE1中有突變，因此在被水淹沒時沒有延長莖杆的靈活調節機制。

在其他實驗中，研究小組還發現DEC1這種基因會抑制植物莖的生長。DEC1在淺水品種中很活躍，當這些植物被洪水淹沒時，它仍然很活躍，基本上保持了對莖的生長的抑制。相反，當深水水稻暴露在洪水中，「剎車」就會鬆開：DEC1停止表達，進一步允許莖的生長。

利茲大學的植物生物學家Laura Dixon說，如果植物育種家或分子生物學家能夠控制這兩種基因，他們或許就能在不改變GA水平的情況下調整植株的高度——甚至可能是水稻以外的作物。這意味著GA將繼續正常地影響植物的其他部分。康奈爾大學的水稻生物學家Susan McCouch稱，這兩個新基因就像是植物高度的一個簡單的「調節開關」。

科學家們說，如果該系統也適用於其他植物，那麼它可能會在多種作物的培育中發揮作用。研究顯示，這兩個基因也存在於甘蔗、大麥和已得到充分研究的牧草中。Ashikari認為，它們可能在其他重要的農業作物中廣泛發生。另一種重要的作物玉米，其基因與ACE1類似，但它的基因與DEC1隻有部分相似。儘管如此，擁有兩種基因的物種的範圍使這項新發現具有「重大意義」。

這些基因可能幫助水稻育種家改良已經能應對季節性洪水的低產水稻品種，或者利用高產的矮杆品種培育新品種。Bailey-Serras說，如果這種方法在其他工廠也能奏效，它甚至可以幫助那些因為氣候變化而遭受更頻繁洪水的地區設計抗洪作物。據BBC報導，亞洲和非洲等一些地方，多達40%的水稻作物都會遭到各種程度的洪水災害影響。這樣的努力將完全取決於目標作物中的基因是否有反應，但是，這將對農民產生很大的影響，他們可能不再需要擔心雨季帶來的嚴重水災了。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

參考來源：https://www.sciencemag.org/news/2020/07/new-genes-control-plant-height-could-lead-flood-proof-crops

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