2025-02-05 14:57:52
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員林鴻宣團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)副教授林尤舜團(tuán)隊(duì)合作，首次提出精準(zhǔn)調(diào)控植物激素赤霉素（GA）到合適的中等水平是同時(shí)提高水稻堿-熱抗性和產(chǎn)量的關(guān)鍵，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有潛力成為“后綠色革命”基因的ATT2，為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖引發(fā)的糧食安全問(wèn)題提供了新策略，對(duì)鹽堿地的開(kāi)發(fā)利用和未來(lái)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。1月30日，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。
上世紀(jì)六十年代以來(lái)，育種家利用被譽(yù)為“綠色革命”基因的Sd1和Rht-1，對(duì)谷類(lèi)作物的赤霉素濃度或信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了水稻和小麥的半矮化育種，并增強(qiáng)了抗倒伏性。由此，在大量施用化肥的條件下，谷物產(chǎn)量大幅度提高，引發(fā)了農(nóng)業(yè)“綠色革命”。過(guò)去幾十年間，半矮稈“綠色革命”品種廣泛種植，在一定程度上確保了全球糧食安全，但它們的環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)較低。在全球環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的今天，迫切需要挖掘作物中的耐鹽堿、耐熱基因，開(kāi)發(fā)集強(qiáng)抗逆和高產(chǎn)于一體的新型“綠色革命”作物品種。
經(jīng)過(guò)六年多努力，研究團(tuán)隊(duì)成功分離克隆了水稻堿-熱抗性基因ATT1和ATT2。它們是一對(duì)編碼GA合成酶GA20氧化酶的同源基因，通過(guò)控制GA合成，調(diào)控GA信號(hào)途徑中的負(fù)調(diào)控因子SLR1（DELLA）蛋白的豐度，進(jìn)而影響活性氧（ROS）的累積和耐堿、耐熱基因的組蛋白H3K27 三甲基化修飾水平，最終響應(yīng)堿-熱脅迫。
研究發(fā)現(xiàn)，在正常條件下，適當(dāng)提高半矮稈“綠色革命”水稻品種的GA含量到最佳中等水平，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)量；而在逆境脅迫條件下，水稻的內(nèi)源活性GA水平降低，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控水稻品種的活性GA水平到中等水平，可以最大程度地減少環(huán)境脅迫帶來(lái)的產(chǎn)量損失。
在上海松江農(nóng)場(chǎng)，pH值達(dá)9的高堿性土壤中種植的水稻生長(zhǎng)情況，含中等濃度活性赤霉素的水稻株系其耐堿性較強(qiáng)（右邊）。圖片由研究團(tuán)隊(duì)提供
基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出兩種微調(diào)GA的方法。一種是通過(guò)對(duì)可能的“后綠色革命”基因ATT2進(jìn)行遺傳工程改良，提高ATT2的表達(dá)量或增強(qiáng)ATT2的功能，從而精準(zhǔn)調(diào)控半矮稈“綠色革命”品種的活性GA至最佳中等水平。另一種則是外源施加適量的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（赤霉素 “920”），以減少逆境脅迫造成的產(chǎn)量損失。
研究團(tuán)隊(duì)表示，這些方法不僅可以提高作物的抗逆性，維持其在鹽堿、高溫等不利環(huán)境下的產(chǎn)量穩(wěn)定，還可以在正常田間條件下進(jìn)一步提高谷物產(chǎn)量，有望在水稻、小麥、玉米等主糧作物的育種改良中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，研究結(jié)果為培育“高產(chǎn)高抗”作物新品種提供了重要的理論依據(jù)，同時(shí)也為大面積鹽堿地的開(kāi)發(fā)利用提供了新的策略。
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