2023-02-23 09:34:47
水稻是全國人民生活中最重要的糧食作物之一有超過60%的人以它的產物大米為主食如何培育出產量更高、品質更好的水稻？一直是農業(yè)科學家們不斷思考探索的問題
在2月15日第二屆“科創(chuàng)中國·天府科技云服務大會”開幕式上發(fā)布的“待轉化十大重大科技成果”之一——“一種水稻粒型相關蛋白GIF1及其編碼基因與應用”則又給出了一個新的解決思路。據(jù)悉，此項研究成果由四川農業(yè)大學水稻研究所李雙成、李平團隊研發(fā)取得，轉化落地后有望使水稻的千粒重增加20%，讓人們吃上更“胖”的米粒。
近日，記者專訪四川農業(yè)大學水稻研究所生物技術團隊主任、西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室研究人員李雙成教授，探索“大米增重”成果背后的秘密。
想讓大米“長胖”？得給它準備一件寬敞外套
能讓“大米增重”的分子模塊是這項成果的核心。相關研究論文顯示，該成果證明了OsmiR396c-GLW2-OsGIF1分子模塊調控水稻粒型和粒重，該模塊的導入可使水稻的千粒重增加20%，從而提高水稻產量。但是此分子模塊讓米?！伴L胖”的原理是什么呢？
ΔGLW2基因提高了雜交水稻產量，有NIL后綴的為含GLW2基因的雜交稻（NIL即近等基因系）
簡而言之，就是在米?！俺錾鷷r”給它準備一件“寬敞的外套”。采訪中李雙成告訴記者，目前的研究普遍認為，在光合足夠的情況下，水稻種子營養(yǎng)物質的產生和積累是足夠的，但如果“庫容”不夠，米粒也無法長得更大。
Δ稻谷的結構（圖片來源于網(wǎng)絡）
“庫容”即是穎殼（稻殼）的容量，對殼中糙米大小的影響非常大，“如果水稻最初形成的穎殼小了，里面灌漿再充分、作物產生的淀粉再多，最終形成的米粒最多就是飽滿一點，很難增大?！倍麄儼l(fā)現(xiàn)的分子模塊主要通過調控細胞的擴張和增殖，在水稻籽粒發(fā)育的早期將穎殼擴大，解決“庫容”問題，“當穎殼足夠寬敞的情況下，只要作物的光合作用沒有受阻，理論上它的籽粒就會變大。”
ΔOsmiR396c-GLW2-OsGIF1模塊通過調控細胞擴張調控籽粒大小，圖為GLW2基因作用情況
有趣的是，后來該分子模塊的核心組分還被其他研究證實是一個“氮高效”基因，“它不但可以促使穎殼長大，實際上也提高了水稻的氮素吸收和同化轉運過程?！崩铍p成表示這是一個令人興奮的新發(fā)現(xiàn)，它意味著這個分子模塊在提高產量的同時，還有助于肥料的節(jié)省，利于環(huán)境保護。
研發(fā)歷程：8年攻關 確定目標分子模塊
“影響水稻產量的因子有很多，包括千粒重、穗粒數(shù)、結實率等，2020年前，我國對水稻產量的剖析已有較大進展，其中進展最好的一個領域就是千粒重基因相關研究?！睋?jù)李雙成介紹，決定粒重性狀的相關基因受環(huán)境影響小、遺傳效應大，這也是他們團隊選擇從它入手的原因。在定下方向后，從最開始的在種質資源庫里篩選材料，到分子模塊模型建立，再到評估該模型價值，研究團隊進行了約8年的努力。這個過程中，他們很幸運地找到了千粒重達到60克，重量為平常稻谷1倍多的水稻材料作為基因供體，但也遇到過重重困難。李雙成認為其中最具挑戰(zhàn)性的就是將目標基因克隆出來，以及系統(tǒng)地證明它的功能?！拔覀冊跇嫿ㄟz傳群體、連續(xù)回交方面花了大概四五年時間?！彼硎?，由于水稻的千粒重是由眾多基因共同決定的，為了探究究竟是哪些基因真正起到了提高粒重的作用，團隊需要通過雜交、持續(xù)回交的方式“過濾”無關基因，并建立近等基因系來進行研究觀察。這樣的實驗非常耗時，但在當時的技術條件下，也只有這樣才能保證最后分離出準確的目標基因。
ΔGLW2基因在不同背景下提高了水稻產量，有NIL 前綴的為有GLW2基因的水稻（NIL即近等基因系）
而在拿到目標基因后，團隊還需要通過遺傳轉化，即轉基因的方式，證明該基因可以發(fā)揮作用，“比方說把這個基因轉到小粒水稻品種里面去，看其最后的稻米會不會變大，或者將大粒水稻品種中的該基因‘沉默’，看它結出的稻米會不會變小。”但由于當時采用的秈稻大粒材料遺傳轉化效率極低，團隊不得不將該基因導入其他易于轉化的秈稻背景，同時借助了部分粳稻材料，這一步也耗費了大量時間。
ΔGLW2基因在不同背景下提高了水稻產量，有NIL前綴的為有GLW2基因的水稻（NIL即近等基因系）
不過李雙成也提到，隨著科技水平的進步，以前的這些難題在現(xiàn)在已變得不那么難解。比如基因組學、代謝組學等組學技術的飛速發(fā)展，尋找某些性狀的基因已經不完全依賴于像從前那樣耗費大量精力建立細致的近等基因系，“現(xiàn)在的測序技術可以快速地測出一組水稻的全部基因組，再通過大數(shù)據(jù)的方式將它與目標性狀關聯(lián)，即可以讓計算機幫我們找出和目標性狀相關的基因變化，從而拿到需要的基因序列?！?/p>
分子模塊設計育種：像搭樂高一樣改良作物
采訪中記者了解到，“一種水稻粒型相關蛋白GIF1及其編碼基因與應用”這項成果屬分子模塊設計育種技術領域，這類技術始于分子設計育種理念，相比傳統(tǒng)育種技術，大大提高了育種的精確度和效率。目前分子模塊設計育種技術主要運用于水稻育種領域，并逐步在小麥、玉米、鯉魚等農產品的育種改良中開展。早在多年前，中國科學院就啟動了“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導科技專項。那么分子模塊設計育種的主要特征是什么？李雙成把它比喻成用“搭樂高積木”的方式改良作物，“比如我們知道一個能決定水稻高產性狀的分子模塊，如果哪個品種缺少這一模塊，我們就可以直接把這個模塊導入該品種，相當于把一塊新的積木累加到這個品種原有的‘樂高基因塔上’?！甭犐先ズ芎唵?，但拿什么“積木”、搭哪座“塔”、如何實現(xiàn)“有效搭建”等都藏著大學問。據(jù)李雙成介紹，比如在了解“積木”用途，即解析分子模塊，了解決定產量、品質、抗病等性狀的功能模塊方面，學界已有多年的研究歷史，雖然目前已有大量的相關基因被“解密”，但是實際用于育種的分子模塊，還是相對較少的。而當不同的“積木”搭在同一座塔上時，它們可能還會互相影響，讓對方成為“無效積木”，“比方說決定產量和品質性狀的一些分子模塊，有些模塊放進去是有矛盾的，會有負面影響。所以說我們對多個模塊之間的耦合研究是非常重要的，你要去證實哪些模塊放到一起是比較好的，哪些模塊放到一起它會起反作用?！睘榱烁咝У仳炞C分子模塊的相互影響，業(yè)界正在開展分子模塊設計育種相關的計算機模擬技術，“現(xiàn)在我們把已解析的分子模塊的功能和信息輸進計算機，它就能高效模擬出這些模塊的理論耦合效果。雖然最后我們還是得通過傳統(tǒng)手段去驗證這些預測的有效性，但這無疑有助于加快研究的進程?！?/p>
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