北京时间7月23日,华中农业大学熊立仲教授团队在国际学术期刊《细胞》(Cell)在线发表研究,鉴定出一个名为“ROAD1”的稻属特异抗旱孤儿基因,并发现携带其功能等位基因ROAD1C的水稻在田间干旱条件下产量较对照显著提高;此外,ROAD1在拟南芥、油菜、玉米、小麦和杨树等多种受试植物中展现出跨物种抗旱应用潜力。

熊立仲教授与团队成员一起交流。任文武摄
干旱是威胁全球作物生产和粮食安全的重要环境因素。植物体内拥有一套经典的抗旱信号系统(ABA信号通路),其核心组分在不同植物中高度保守,广泛参与植物的生长发育和环境响应等关键过程。然而,直接干预这些核心组分往往会引发植物生长抑制、产量下降等副作用。因此,如何在不影响植物正常生长的前提下精准提高其抗旱能力,成为亟待解决的重要科学问题。
研究团队以240份水稻种质资源为材料,成功鉴定出一个稻属特有的“孤儿基因”——ROAD1。这类基因仅存在于特定物种中,缺乏可检测的远缘同源基因。研究发现,携带功能等位基因ROAD1C的水稻在干旱胁迫下叶片卷曲程度较轻,产量损失更小。进化分析表明,ROAD1可追溯至南方野生稻Oryza meridionalis中的祖先序列。在后续演化过程中,逐步形成功能等位基因ROAD1C。群体遗传分析进一步显示,ROAD1C在粳稻驯化过程中受到选择,并在来源于降水量相对较少地区的粳稻材料中呈现较高频率。
ROAD1是如何在不影响水稻正常生长的情况下发挥抗旱作用的呢?研究发现,在水稻的抗旱信号通路中,OsPP2C68蛋白扮演着“刹车”作用,当植物在水分供应充足条件下生长时,会抑制抗旱反应。在干旱来临时,ROAD1蛋白会大量积累并与OsPP2C68结合,解除OsPP2C68的“刹车”作用,进而增强植物的抗旱响应。

熊立仲教授团队成员在干旱的水稻田间观察水稻材料。匡敏摄
巧妙的是,ROAD1蛋白如同一种“胁迫依赖型增强因子”,在水分充足时,其蛋白水平极低,不影响正常生长;只有在干旱胁迫下才会大量积累并发挥作用。这种“按需启动”的机制,完美兼顾了水稻的抗旱性与稳产性。
田间测试结果显示,在干旱条件下,携带ROAD1C的近等基因系的水稻产量较对照提高约21%至35%,而在正常供水条件下,未观察到明显的生长和产量不利变化。
由于抗旱信号的核心模块在植物界高度保守,研究团队将ROAD1基因导入拟南芥、油菜、玉米、小麦和杨树中,均发现这些植物表现出更好的抗旱性。这意味着,这一源自水稻的基因有望成为多种农作物的“跨物种抗旱利器”。
该研究不仅揭示了植物如何通过新基因适应环境的科学难题,更为未来的农业抗旱育种提供了宝贵的基因资源和研究思路。(熊海燕)
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