6月24日，英國《自然—遺傳學(xué)》(NatureGenetics)雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究員、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張桂權(quán)教授和中國水稻研究所錢前研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊在水稻增產(chǎn)關(guān)鍵功能基因合作...
6月24日，英國《自然—遺傳學(xué)》(NatureGenetics)雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究員、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張桂權(quán)教授和中國水稻研究所錢前研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊在水稻增產(chǎn)關(guān)鍵功能基因合作研究中的最新進(jìn)展。該研究發(fā)現(xiàn)了一個可以同時影響水稻的品質(zhì)和產(chǎn)量的基因，將它應(yīng)用到新品種水稻的培育中，有望讓水稻變得好吃又高產(chǎn)。
隨著人民生活水平的不斷提高，在解決溫飽問題的基礎(chǔ)上，如何提升稻米品質(zhì)是當(dāng)前水稻育種迫切需要解決的任務(wù)。然而，高產(chǎn)水稻一般品質(zhì)較差，而品質(zhì)好的水稻品種往往產(chǎn)量較低，選育既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)的品種是當(dāng)前常規(guī)育種技術(shù)面臨的大難題。在科技部、農(nóng)業(yè)部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的支持下，經(jīng)過多年的協(xié)作與攻關(guān)，研究小組從世界上最好吃的水稻巴基斯坦的Basmati品種中，成功克隆了一個可幫助稻米品質(zhì)提升和增產(chǎn)的關(guān)鍵基因GW8。在Basmati水稻中，GW8基因啟動子產(chǎn)生變異，導(dǎo)致該基因表達(dá)下降，使籽粒變?yōu)榧?xì)長型，提升了稻米品質(zhì)。而該基因高表達(dá)可促進(jìn)細(xì)胞分裂，使籽粒變寬，提高灌漿速度，增加籽粒重，從而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。此項成果首次闡述了GW8基因在水稻增產(chǎn)和品質(zhì)提升中起到的關(guān)鍵作用，進(jìn)而揭開了水稻品質(zhì)和產(chǎn)量同步提高的分子奧秘，還可望由此進(jìn)一步研究出更為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻新品種。
傅向東介紹，目前在我國大面積種植的高產(chǎn)水稻品種中都含有GW8基因，表明GW8基因已在我國水稻增產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。研究人員在海南、廣州、北京的6個點田間試驗中發(fā)現(xiàn)，GW8基因一個關(guān)鍵位點突變既可提升水稻品質(zhì)，又可促進(jìn)穗粒數(shù)增加。將突變后GW8基因的新變異位點導(dǎo)入Basmati水稻品種后，在保證優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)上可使其產(chǎn)量增加14%;將它導(dǎo)入我國高產(chǎn)水稻品種后，在保證產(chǎn)量不減的基礎(chǔ)上可極顯著提升稻米品質(zhì)。
傅向東說，水稻的品質(zhì)與產(chǎn)量處于“魚和熊掌很難兼得”的境況，原因之一是二者都由多個基因控制且受環(huán)境影響較大。
水稻GW8基因的成功克隆和分子機(jī)制的闡述，為雜交水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)分子育種直接提供了有重要應(yīng)用價值的新基因，也為揭示水稻品質(zhì)和產(chǎn)品協(xié)同提升的分子奧秘提供了新線索。
傅向東說：“我們研究還發(fā)現(xiàn)，GW8基因有一個新的變異類型，它可以把優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)這兩個優(yōu)異性狀結(jié)合起來，同時提高水稻的品質(zhì)和產(chǎn)量。”實驗顯示，將新的GW8基因變異類型引入巴斯馬蒂水稻后，可以在保證優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)量14%;而在將它引入中國高產(chǎn)水稻后，可以在保證產(chǎn)量不減的基礎(chǔ)上顯著提升稻米品質(zhì)。
科學(xué)家解讀水稻高產(chǎn)基因
國際著名學(xué)術(shù)期刊英國《自然—遺傳學(xué)》雜志和美國《科學(xué)》雜志相繼報道了由中日科學(xué)家共同發(fā)現(xiàn)的被稱為OsSPL14基因(又稱IPA1基因)的重要成果，這是一個影響諸多農(nóng)藝性狀、可有效控制水稻理想株型、進(jìn)一步提高產(chǎn)量的關(guān)鍵基因。
株型是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，理想的水稻株型應(yīng)該具有分蘗少、無無效分蘗、穗大粒多、莖稈粗壯等特征。針對這一關(guān)鍵因素，植物分子遺傳學(xué)家李家洋和他的團(tuán)隊開展了長期的基礎(chǔ)研究，而IPA1(IdealPlantArchitec-ture1，即理想株型1號)基因的成功克隆，為塑造水稻理想株型的分子育種提供了有重要應(yīng)用價值的新基因。
這次發(fā)現(xiàn)的IPA1基因突變后能使水稻植株具有粗稈、抗倒伏、分蘗少等優(yōu)越性狀，更適合未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，如能很好地利用，將會大幅度提高水稻產(chǎn)量。“我們通過一定面積的田間比對試驗，得出增產(chǎn)10%左右的結(jié)果。但這個結(jié)果還不精細(xì)，如果在種植條件進(jìn)一步優(yōu)化的情況下，增產(chǎn)幅度還會提高。”李家洋說。
2003年，他們在田間實驗里偶然發(fā)現(xiàn)了一個具有理想株型特征的水稻材料，并分離出控制理想株型的主效數(shù)量性狀基因。該基因的突變能夠在生產(chǎn)上得到科學(xué)家所夢想的諸多優(yōu)良性狀，因而被命名為“理想株型1號”(即IPA1)。
科學(xué)家克隆出正調(diào)控水稻重籽?；?/strong>
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室張啟發(fā)院士領(lǐng)銜的水稻國家創(chuàng)新研究團(tuán)隊，日前成功克隆了正調(diào)控水稻重籽粒的數(shù)量性狀基因GS5，進(jìn)一步的功能研究顯示，該基因在高產(chǎn)分子育種中具有廣闊的應(yīng)用前景。2008年，該團(tuán)隊曾在國際頂級遺傳學(xué)雜志《自然—遺傳學(xué)》上撰文，報告發(fā)現(xiàn)了一個可以同時控制水稻植株高矮、抽穗期和每穗粒數(shù)的Ghd7基因。
經(jīng)過近10年的研究，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊此次克隆的GS5卻是一個種子大小的正調(diào)控因子，其較高的GS5表達(dá)水平可能參與促進(jìn)細(xì)胞周期循環(huán)，加快細(xì)胞循環(huán)進(jìn)程，從而促進(jìn)水稻穎殼細(xì)胞的橫向分裂，進(jìn)而增大穎殼的寬度，繼而加快谷粒的充實和胚乳的生長速度，最終增大種子的大小以及增加谷粒的重量和單株產(chǎn)量。
據(jù)介紹，他們對來自亞洲不同地區(qū)的51份水稻品系進(jìn)行GS5啟動子比較測序，發(fā)現(xiàn)GS5在自然界主要有3種不同的組合方式，分別是GS5大粒單倍型、GS5中粒單倍型和GS5小粒單倍型，正好對應(yīng)不同品系寬、中等寬和窄粒形等3組不同粒寬的性狀。其中，GS5小粒單倍型是野生型，而GS5大粒單倍型是水稻馴化和育種過程中功能獲得性的突變型。啟動子鑲嵌轉(zhuǎn)化分析進(jìn)一步表明，上述突變型的形成，取決于GS5啟動子的自然變異。因此，GS5在水稻人工馴化和育種過程中起到了重要作用，并對水稻種子大小的遺傳多樣性貢獻(xiàn)很大。
