近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院智能所吳躍進(jìn)課題組在水稻抗草銨膦基因發(fā)掘和功能研究方面取得突破性進(jìn)展。團隊利用重離子輻照獲得對草銨膦具有耐受性的水稻突變種質(zhì)，克隆草銨膦抗性新基因，并對其基因功能進(jìn)行了深入解析。相關(guān)研究成果發(fā)表在植物分子生物學(xué)領(lǐng)域Top期刊Plant Biotechnology Journal上。
水稻是世界上最重要的糧食作物之一，養活了全球一半以上的人口。其中直播稻輕簡(jiǎn)栽培模式因其省時(shí)省力節約成本的優(yōu)勢，而得到廣泛推廣，但是草害卻嚴重影響著(zhù)直播稻的生產(chǎn)與產(chǎn)量，因此水稻抗除草劑種質(zhì)資源的選育和研究對有效治理雜草和推進(jìn)現代農業(yè)發(fā)展具有重要意義。草銨膦因其非選擇性、廣譜、高效的除草效果和人畜無(wú)毒、環(huán)境友好的特性，在農業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。但目前在水稻中還未有關(guān)于抗草銨膦內源基因的報道。因而，水稻抗草銨膦種質(zhì)創(chuàng )建以及基因發(fā)掘和育種，應用對未來(lái)現代化農業(yè)發(fā)展具有十分重要的作用。
科研團隊深入開(kāi)展重離子束誘變抗草銨膦突變基因克隆和功能以及抗性機制研究。在大田篩選中獲得了具有草銨膦抗性的水稻突變體glr1和glr2，圍繞glr1突變體及控制基因，已申請專(zhuān)利并獲得授權，研究顯示，突變體glr1與野生型相比具有顯著(zhù)的草銨膦耐受性（圖1）。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步圖位克隆和功能解析，科研人員發(fā)現了GLR1基因編碼生長(cháng)素應答因子ARF家族中的ARF18。GLR1/ARF18可以直接結合下游基因OsGS1, OsCYP51G3 和 OsCATA的啟動(dòng)子并抑制其表達。草銨膦除草劑處理水稻時(shí)，GLR1基因受到誘導上調，從而抑制下游靶基因的表達，導致產(chǎn)生的活性氧以及氨積累得不到及時(shí)清除和代謝，最終導致植株死亡。而GLR1基因突變后，下游靶基因表達抑制得到解除，從而加速清除由草銨膦引起的過(guò)量的活性氧和氨的積累，使突變體glr1在草銨膦處理后快速恢復生長(cháng)，具有很好的草銨膦耐受性（圖2）。活性氧增加是植物對遭遇逆境的響應，鑒于GLR1/ARF18在活性氧清除方面的作用，推測GLR1基因突變對非生物脅迫具有廣譜的耐逆性，進(jìn)一步進(jìn)行鹽處理和草甘膦除草劑處理發(fā)現，glr1突變體具有明顯的耐鹽和抗草甘膦除草劑效果。因此本研究成果一方面體現了GLR1基因在水稻抗草銨膦種質(zhì)資源利用方面巨大的應用價(jià)值，填補了水稻抗草銨膦內源基因研究的空白；另一方面，通過(guò)對GLR1基因在草銨膦抗性機制研究揭示GLR1基因在水稻非生物脅迫的廣譜抗逆性具有明顯效果，對適應逆境生長(cháng)條件下水稻新品種的培育提供基因資源和理論基礎。
該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會(huì )、安徽省自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長(cháng)基金等項目的支持。為了加快GLR1基因在育種中應用，種質(zhì)資源專(zhuān)利以及相關(guān)成果已經(jīng)轉化上海中科荃銀分子育種技術(shù)有限公司。博士生任艷和劉斌美研究員為論文的共同第一作者，葉亞峰副研究員、中國科學(xué)院遺傳所傅向東研究員和吳躍進(jìn)研究員為共同通訊作者。
圖1 抗草銨膦水稻突變體大田篩選及驗證
圖2 GLR1調控草銨膦抗性的工作模式圖
