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“头号杂草”有望成为水稻增产“帮手”

2017-12-08 10:15:05|来源:经济日报|编辑:朱文泽 |责编:韩东林

  近日,中国水稻研究所和浙江大学合作揭示了稗草通过基因簇合成防御性次生代谢化合物,用于与水稻竞争和抵御稻田病菌的遗传机制,为水稻C4育种提供了一个重要的基因遗传资源。该研究成果已在线发表于《自然—通讯》,中国水稻研究所研究员郭龙彪和浙江大学邱杰为论文共同第一作者。

  据悉,该研究得到国家自然科学基金委的重点资助,前后历时6年,共有来自5个国家的16个研究团队参与研究。

  水稻是我国主要的粮食作物之一,其产量事关国计民生。由于水稻生长于高温多雨环境,稻田杂草种类繁多。其中,稗草被认为是全球最严重的杂草危害之一,也是稻田最主要的杂草,严重影响水稻产量,被列为我国农田15种危害最严重杂草之首。

  稗草与水稻均属于禾本科,其在生长期、株型及对营养的需求等生物学特性与水稻极为相似,是水田中最难防除的伴生性杂草,农事操作不当很易造成水稻产量的重大损失。

  “目前,稻田除草主要依赖于化学除草剂。如果不进行人工除草或不喷施除草剂,水稻难以与稗草竞争。”郭龙彪说,但大量使用除草剂不仅污染环境,还增加生产成本,并且由于稗草对除草剂抗性的产生,又进一步导致除草剂用量大增。因此,在辅以栽培管理措施下,选育具有抑制稗草作用的“绿色水稻”,是减少化学除草剂使用的重要方式。

  其中,植物化感是水稻和杂草互作的主要方式之一。化感作用是指植物向环境释放特定的防御性化学物质,从而影响邻近植物生长的效应。水稻与稗草之间就可以自身合成并释放化学物质来相互抑制生长,产生植物化感效应。

  研究团队发现,稗草能分泌一种叫丁布的次生代谢产物,可以明显抑制水稻生长。他们在基因组研究中找到了能合成丁布的3个基因簇。稗草在与水稻混种时,该基因簇会快速启动“制造”丁布。项目主要研究者之一樊龙江说,丁布是稗草独有的秘密武器,而水稻没有,同时,稗草还能合成水稻的“撒手锏”稻壳素。

  这是研究人员首次了解到稗草会利用基因簇的遗传机制合成这些化合物来与水稻竞争,从而起化感作用。研究还发现细胞色素和谷胱甘肽巯基转移酶基因具有解毒功能,以非靶标抗性机制,直接参与杂草除草剂抗性的进化。因而,利用化感作用进行杂草防控将是农业可持续发展的关键技术之一。

  水稻为C3植物,而玉米高粱等作物为C4作物。C4植物的光合效率更高,所以一直以来,通过创制C4水稻品种,提高水稻产量是水稻育种的一个重要目标。稗草即为C4植物,同时与水稻有着相同的生境和株型,因而为C4水稻育种提供了一个最为理想的模式植物和C4途径基因供体。此次研究获得的稗草基因组,它的C4途径相关基因已获得,这为水稻C4育种提供了光明前景。

  “比如,我们可以先把稗草C4途径关键基因一个个导入水稻中,通过杂交方式将基因聚合,来看看这样聚合的水稻光合效率是否会提高,及其产量是否会明显提高。”相关实验正在顺利开展中,樊龙江说:“我们希望稗草能‘逆袭’成功,成为水稻育种家们的掌上明珠。”

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