近日，中國水(shuǐ)稻研究所和(hé)浙江大(dà)學合作(zuò)揭示了稗草通(tōng)過基因簇合成防禦性次生(shēng)代謝化合物，用于與水(shuǐ)稻競争和(hé)抵禦稻田病菌的遺傳機制(zhì)，為(wèi)水(shuǐ)稻C4育種提供了一個(gè)重要的基因遺傳資源。該研究成果已在線發表于“自然 - 通(tōng)訊”，中國水(shuǐ)稻研究所研究員郭龍彪和(hé)浙江大(dà)學邱傑為(wèi)論文共同第一作(zuò)者。
據悉，該研究得(de)到國家(jiā)自然科學基金委的重點資助，前後曆時(shí)6年，共有(yǒu)來(lái)自5個(gè)國家(jiā)的16個(gè)研究團隊參與研究。
水(shuǐ)稻是我國主要的糧食作(zuò)物之一，其産量事關國計(jì)民生(shēng)。由于水(shuǐ)稻生(shēng)長于高(gāo)溫多(duō)雨環境，稻田雜草種類繁多(duō)。其中，稗草被認為(wèi)是全球最嚴重的雜草危害之一，也是稻田最主要的雜草，嚴重影(yǐng)響水(shuǐ)稻産量，被列為(wèi)我國農田15種危害最嚴重雜草之首。
稗草與水(shuǐ)稻均屬于禾本科，其在生(shēng)長期，株型及對營養的需求等生(shēng)物學特性與水(shuǐ)稻極為(wèi)相似，是水(shuǐ)田中最難防除的伴生(shēng)性雜草，農事操作(zuò)不當很(hěn)易造成水(shuǐ)稻産量的重大(dà)損失。
“目前，稻田除草主要依賴于化學除草劑。如果不進行(xíng)人(rén)工除草或不噴施除草劑，水(shuǐ)稻難以與。稗草競争”郭龍彪說，但(dàn)大(dà)量使用除草劑不僅污染環境，還(hái)增加生(shēng)産成本，并且由于稗草對除草劑抗性的産生(shēng)，又進一步導緻除草劑用量大(dà)增。因此，在輔以栽培管理(lǐ)措施下，選育具有(yǒu)抑制(zhì)稗草作(zuò)用的“綠色水(shuǐ)稻”，是減少(shǎo)化學除草劑使用的重要方式。
其中，植物化感是水(shuǐ)稻和(hé)雜草互作(zuò)的主要方式之一。化感作(zuò)用是指植物向環境釋放特定的防禦性化學物質，從而影(yǐng)響鄰近植物生(shēng)長的效應。水(shuǐ)稻與稗草之間(jiān)就可(kě)以自身合成并釋放化學物質來(lái)相互抑制(zhì)生(shēng)長，産生(shēng)植物化感效應。
研究團隊發現，稗草能分泌一種叫丁布的次生(shēng)代謝産物，可(kě)以明(míng)顯抑制(zhì)水(shuǐ)稻生(shēng)長。他們在基因組研究中找到了能合成丁布的3個(gè)基因簇。稗草在與水(shuǐ)稻混種時(shí)，該基因簇會(huì)快速啓動“制(zhì)造”丁布。項目主要研究者之一樊龍江說，丁布是稗草獨有(yǒu)的秘密武器(qì)，而水(shuǐ)稻沒有(yǒu)，同時(shí)，稗草還(hái)能合成水(shuǐ)稻的“撒手锏”稻殼素。
這是研究人(rén)員首次了解到稗草會(huì)利用基因簇的遺傳機制(zhì)合成這些(xiē)化合物來(lái)與水(shuǐ)稻競争，從而起化感作(zuò)用。研究還(hái)發現細胞色素和(hé)谷胱甘肽巯基轉移酶基因具有(yǒu)解毒功能，以非靶标抗性機制(zhì)，直接參與雜草除草劑抗性的進化。因而，利用化感作(zuò)用進行(xíng)雜草防控将是農業可(kě)持續發展的關鍵技(jì)術(shù)之一。
水(shuǐ)稻為(wèi)C3植物，而玉米高(gāo)粱等作(zuò)物為(wèi)C4作(zuò)物≥C4植物的光合效率更高(gāo)，所以一直以來(lái)，通(tōng)過創制(zhì)C4水(shuǐ)稻品種，提高(gāo)水(shuǐ)稻産量是水(shuǐ)稻育種的一個(gè)重要目标。稗草即為(wèi)C4植物，同時(shí)與水(shuǐ)稻有(yǒu)着相同的生(shēng)境和(hé)株型，因而為(wèi)C4水(shuǐ)稻育種提供了一個(gè)最為(wèi)理(lǐ)想的模式植物和(hé)C4途徑基因供體(tǐ)。此次研究獲得(de)的稗草基因組，它的C4途徑相關基因已獲得(de)，這為(wèi)水(shuǐ)稻C4育種提供了光明(míng)前景。
“比如，我們可(kě)以先把稗草C4途徑關鍵基因一個(gè)個(gè)導入水(shuǐ)稻中，通(tōng)過雜交方式将基因聚合，來(lái)看看這樣聚合的水(shuǐ)稻光合效率是否會(huì)提高(gāo)，及其産量是否會(huì)明(míng)顯提高(gāo)。”相關實驗正在順利開(kāi)展中，樊龍江說：“我們希望稗草能 '逆襲' 成功，成為(wèi)水(shuǐ)稻育種家(jiā)們的掌上(shàng)明(míng)珠。
