中國學(xué)者揭示水稻早熟高產(chǎn)新機(jī)制
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水稻的生育期是決定品種種植地區(qū)與種植季節(jié)的重要農(nóng)藝性狀，選育早熟高產(chǎn)新品種一直是水稻遺傳育種研究的主攻方向之一。在我國雜交水稻發(fā)展的早期階段，“高產(chǎn)不早熟、早熟不高產(chǎn)”即所謂“優(yōu)而不早、早而不優(yōu)”現(xiàn)象，是雜交稻品種培育上遇到的重大難題。
對此，袁隆平院士及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)從國際水稻研究所引進(jìn)早熟材料“IR9761-19”，通過系選和測配，育成早熟恢復(fù)系“測64-7”。之后，謝華安院士及其帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用測64-7與遲熟恢復(fù)系“明恢63”雜交，育成早熟恢復(fù)系“明恢77”。我國用這2個(gè)骨干恢復(fù)系配組出大批早熟高產(chǎn)組合并應(yīng)用于生產(chǎn)，成功攻克了雜交水稻“優(yōu)而不早，早而不優(yōu)”的技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)雜交水稻在我國南方雙季稻區(qū)的廣泛應(yīng)用，然而水稻早熟高產(chǎn)的分子生理機(jī)制仍未得到解析。
1998年四川農(nóng)業(yè)大學(xué)鄧曉建等人發(fā)現(xiàn)早秈核不育系“6442S-7”具有完全顯性早熟特性，并初步定位了水稻第3染色體短臂存在的一個(gè)顯性早熟基因Ef-cd。之后，通過和中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲成才研究組合作，歷經(jīng)多年，圖位克隆了Ef-cd基因。Ef-cd基因?yàn)橐粋€(gè)長片段非編碼RNA（long noncoding RNA），通過介導(dǎo)該位點(diǎn)組蛋白甲基化水平，正向調(diào)控另一重要開花基因OsSOC1/OsMADS50的表達(dá)，從而促使水稻早熟。在全國不同緯度（北京、四川成都、浙江嘉興、福建福州）地區(qū)，對Ef-cd近等基因系及其衍生的早熟雜交稻進(jìn)行田間比較試驗(yàn)，結(jié)果表明Ef-cd能顯著提早水稻抽穗期7-20天，但對產(chǎn)量沒有影響，甚至在多個(gè)地區(qū)具有不同程度的增產(chǎn)效果。大規(guī)模組學(xué)分析表明，含Ef-cd水稻材料氮代謝、葉綠素代謝及光合作用相關(guān)基因表達(dá)顯著增強(qiáng)；生理實(shí)驗(yàn)也證明，Ef-cd顯著提高了水稻硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收能力以及葉片的光合作用效率。這些結(jié)果表明Ef-cd基因兼顧早熟和高產(chǎn)兩個(gè)方面，具有資源高效利用的顯著特征。
? Ef-cd能顯著縮短雜交稻生育期但不導(dǎo)致減產(chǎn)。 A. 汕優(yōu)63（SY63）和早熟汕優(yōu)63（E-SY63）。B. II優(yōu)838（II-You838）和早熟II優(yōu)838（E-II-You838）。4個(gè)品種在北京(C)、浙江嘉興(D)、四川成都(E)和福建福州(F)等4個(gè)不同緯度地區(qū)進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)的產(chǎn)量結(jié)果。
通過和中科院上海植物生理生態(tài)所韓斌團(tuán)隊(duì)合作，對我國目前生產(chǎn)上應(yīng)用的1439個(gè)雜交稻品種基因型和田間抽穗期表型數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，所有含Ef-cd基因的雜交稻組合（299份含雜合基因型、16份含純合基因型）在杭州和三亞兩地抽穗期平均提早 9-10天。表明Ef-cd在我國雜交水稻生產(chǎn)上做出重大貢獻(xiàn)，是一個(gè)具有重大價(jià)值的基因。在當(dāng)前水稻生產(chǎn)新形勢下，該基因的挖掘和利用將有力促進(jìn)綠色超級稻品種培育的減肥增效需求，同時(shí)，對解決直播稻和糧經(jīng)、糧菜、糧油連作稻的早熟豐產(chǎn)以及亞種間雜交稻“超親晚熟”等問題具有重要價(jià)值。
該項(xiàng)研究成果于2019年8月27日在線發(fā)表在美國科學(xué)院院刊（PNAS）上(DOI:10.1073/pnas.1815030116)。中科院遺傳發(fā)育所儲成才研究組方軍副研究員（現(xiàn)為中科院東北地理所研究員）和四川農(nóng)業(yè)大學(xué)鄧曉建課題組張帆濤博士（現(xiàn)為江西師范大學(xué)校聘教授）為該論文共同第一作者，儲成才研究員、鄧曉建研究員和方軍研究員為通訊作者。相關(guān)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
注：本文轉(zhuǎn)載自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所。
