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中國科學家發現培育綠色高產水稻新品種關鍵基因

來源:中國新聞網 孫自法 訪問:297 時間:2020-02-10

  記者7日從中國科學院遺傳與發育生物學研究所(中科院遺傳發育所)獲悉,該所傅向東研究員帶領的科研團隊歷時8年協作與攻關,研究發現并從現有水稻品種中獲得關鍵基因NGR5,有望培育出“少投入、多產出”的綠色高產水稻新品種,既為綠色高產高效農作物分子設計育種奠定理論基礎,也提供出具有育種利用價值的基因資源。

  中國科學家團隊“關于赤霉素信號傳導新機制調控水稻氮肥高效利用的最新研究進展”這一重要研究成果論文,北京時間7日凌晨獲國際權威學術期刊《科學》雜志以研究長文(Research Article)形式發表,并被《科學》雜志選為本期封面文章(Cover Story)進行重點推薦。該項成果深化對赤霉素信號傳導和植物氮素響應之間復雜的相互作用機制的理解,找到一條在保證糧食產量不斷提高的同時,提高水稻氮肥利用效率,降低化肥投入,減少環境污染的育種新策略,有助于培育“少投入、多產出”作物新品種,從而實現可持續的糧食安全。

  中科院遺傳發育所介紹,水稻是中國最重要的糧食作物之一,對保障國家糧食安全和社會穩定起到非常重要的作用。氮肥是農業生產中需要量最大的化肥品種,它對提高作物產量、改善農產品質量有重要作用。不過,如何從育種源頭上提高農作物自身的氮肥利用效率,既保留以矮化育種為特征的“綠色革命”品種的高產特性,又能減少氮肥施用量,達到“少投入、多產出”目標,已成為當前中國農業可持續發展亟待解決的重大問題。

  傅向東研究團隊利用化學誘變和遺傳篩選,從攜帶“綠色革命”基因的水稻品種9311中篩選到一個產量性狀對氮素響應不敏感的突變體,通過圖位克隆方法獲得了氮肥高效利用的關鍵基因NGR5。研究表明NGR5是水稻生長發育(包括株高、分蘗和每穗粒數等重要農藝性狀)響應氮素的正調控因子,同時NGR5的基因表達水平和蛋白積累量隨施肥量的增加而增加。在當前主栽高產品種中,提高NGR5表達量不僅提高水稻氮肥利用效率,同時還可保持其優良的半矮化和高產特性,最終導致水稻在適當減少施氮肥條件下獲得更高的產量。研究團隊還發現一個新型的優異等位基因NGR5(hap.2),其表達量對氮素改變的響應更加敏感,將這個優異等位變異位點導入當前高產品種后,有望培育出“少投入、多產出”的綠色高產水稻新品種。

  進一步的研究發現,NGR5是赤霉素信號傳導途徑的一個新的關鍵元件,它能與赤霉素受體GID1蛋白互作。NGR5還能與一種被稱作多梳抑制復合物2(PRC2)的蛋白復合物互作,通過介導H3K27me3甲基化修飾水平調節靶基因的表達,進而調控水稻分蘗等農藝性狀及其對氮素的響應。赤霉素通過促進NGR5蛋白降解,導致表觀遺傳修飾降低,進而增強靶基因的轉錄激活活性,實現赤霉素促進植物分枝生長發育。這一赤霉素信號傳導新機制的發現,不僅豐富了科學家對于赤霉素作用機理的認識,而且從分子水平揭示了“綠色革命”矮稈品種在高肥條件下增產的原因。

  傅向東研究團隊表示,這次研究還發現NGR5與DELLA蛋白互作的機制,DELLA蛋白能競爭性結合赤霉素受體GID1蛋白,抑制赤霉素介導的NGR5蛋白降解,進而增加NGR5蛋白穩定性。DELLA蛋白積累導致第一次“綠色革命”,實現植株半矮化、耐高肥和抗倒伏的高產目標,但也伴隨著氮肥利用效率的降低。相反,NGR5蛋白的高水平積累并不改變“綠色革命”的半矮化優良性狀,但能增加水稻分蘗數,從而實現在減少氮肥投入的條件下進一步提高現有主栽品種產量和氮肥利用效率。該研究成果為“少投入、多產出、保護環境”的綠色高產高效農作物分子設計育種奠定了理論基礎,并提供具有育種利用價值的基因資源。

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