解密水稻半矮杆与应用之谜

倒伏是影响水稻高产稳产的主要限制因素之一。自20世纪60年代以来,以作物矮化育种为标志的“绿色革命”赤霉素合成基因主要基因SD1.突变体培育半矮秸秆特性,提高作物(水稻)的抗倒伏能力,大面积显著增加水稻产量。经过多年的研究,虽然在水稻中发现了60多个基因可导致半矮秸秆特性,但这些基因不仅影响茎的长度,还影响其他农业特性,难以应用于抗倒伏品种的培育。SD1的突变仍然是培养水稻半矮秸秆特性的主要基因。由于单一的可用基因,抗倒伏分子育种受到很大限制。
近日,中国科学院分子植物优秀创新中心/植物生理生态研究所李来庚团队与湖南亚华种业科学院杨元柱团队通过多年的合作,发现了一种新型的基因,可以调节水稻茎基部节的长度。该基因在培育水稻半矮秸秆性能、提高抗倒伏能力、增加大面积水稻产量方面具有重要的应用价值。最近的研究结果是“ShortenedBasalInternodesEncodesaGibberellin2-OxidaseandContributestoLodgingResistanceinRice”为题发表在MolecularPlant上。



矮秆突变体SV14S它是一种广泛应用于水稻育种的温敏不育系,其茎基部节间显著缩短,显示出良好的抗倒伏能力。遗传分析表明,茎基部节间的缩短是由单一基因控制的半显性遗传特征,被命名为ShorntedBasalInternodes(SBI)。结合图位克隆和基因组技术,发现SBI编码尚未报告GA2氧化酶,在茎基部节间高表达。酶功能分析证明SBI编码的GA氧化酶能将活性赤霉素转化为非活性赤霉素。水稻中SBI两个等位变异基因型的存在SBI酶催化活性显著不同。高活性的SBI水稻茎基部节活性赤霉素含量显著降低,从而抑制基部节间的伸长(如图所示)。体内外研究结果证明位于体内外SBI第338位氨基酸在蛋白质序列保守区域的差异是影响SBI酶活性的关键点。通过对大量水稻品种的基因分析,发现该位点的变化影响了水稻品种株高和茎基节间长度。同时,基因进化分析表明SBI等位基因之间的差异很可能来自不同祖先的野生稻群。在过去15年左右的使用中,SBI等位变异培育了一系列具有合理茎节长度结构和高抗倒伏能力的新型水稻品种,在大面积种植中表现出良好的高产、稳定生产、广泛适特点。

SBI基因编码GA2氧化酶调节水稻品种株高和茎基节间长度
SBI基因的发现为塑造理想的稻茎节长结构和株高表型提供了难得的基因资源,为培育高产稳产的抗倒伏水稻新品种提供了新的有效策略。
据悉,中国科学院分子植物优秀创新中心/植物生理生态研究所研究员李来庚和湖南亚华种业科学院研究员杨元柱是本文的共同通讯作者,第一作者是李来庚研究组博士生刘畅。中国科学院分子植物优秀创新中心研究员韩斌、湖南大学刘选民教授参加了部分工作。
通讯作者简介
李来庚,研究员,博士导师,1997年获得密西根理工大学博士学位。2007年回国,获国家杰出青年基金、中国科学院“百人计划”最终评估优秀。现任中国科学院分子植物优秀创新中心/植物生理生态研究所研究员。长期从事植物细胞合成与调节的分子遗传与生物技术研究,研究细胞壁形成与木材调节、细胞壁形成与作物调节,细胞壁形成与作物系。DevelopmentalCell,PlantCell,PNAS,MolecularPlant据等杂志发表论文70余篇,Elsevier据统计,多年来被选为农业和生物科学领域的中国学者。更多信息请访问李来庚实验室主页:

杨元柱,研究员,现任袁隆平农业高新技术有限公司副总裁,湖南亚华种业科学研究院院长。国家农作物品种审批委员会水稻专业委员会委员、中国农业学会常务理事、中国农作物学会理事、湖南大学、湖南师范大学、华中农业大学等大学兼职教授。从事水稻育种36年,主持并参与育成水稻品种222个,其中国家审批53个,累计推广面积5亿多亩。荣获国家劳动模范、国务院政府特殊津贴、国家中青年杰出贡献专家、国家优秀科技工作者等荣誉。曾获国家科技进步奖1次,省部级科技进步奖7次,发表论文100余篇。

2022年7月27日 10:19
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