由中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所夏新界研究員領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)近日在水稻粒型、粒重及非生物耐逆性調(diào)控功能基因研究獲得新進(jìn)展。
水稻是重要的糧食作物，水稻育種的首要目標(biāo)是提高產(chǎn)量。非生物逆境（干旱、洪澇、高/低溫、鹽堿等）通常會(huì)嚴(yán)重影響到水稻的生長(zhǎng)及產(chǎn)量，而水稻粒形則是與稻谷產(chǎn)量和稻米品質(zhì)都直接相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀之一。如何提高水稻耐逆能力，保持其在非生物逆境條件下的產(chǎn)量，保障我國(guó)糧食安全，對(duì)我國(guó)乃至世界農(nóng)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。
基于此，該科研團(tuán)隊(duì)采用Affymetrix基因芯片系統(tǒng)與含51，279 個(gè)轉(zhuǎn)錄本的水稻表達(dá)芯片，并結(jié)合qRealtime-PCR分析驗(yàn)證篩選得到目標(biāo)基因OsSGL(STRESS_tolerance and GRAIN_LENGTH)。OsSGL是一個(gè)一因多效的關(guān)鍵基因，定位于細(xì)胞核，具有轉(zhuǎn)錄自激活活性，在5個(gè)秈稻、粳稻品種中過(guò)量表達(dá)該基因，能明顯增加粒長(zhǎng)（増24.8%）、粒重（増16.3%），改良水稻穗形、株形，同時(shí)提高米質(zhì)。細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，穎花細(xì)胞數(shù)目的增加，細(xì)胞體積縱向增大是粒長(zhǎng)增加的主要原因。結(jié)合基因芯片數(shù)據(jù)和qReal-time PCR兩者數(shù)據(jù)篩選下游調(diào)控基因，初步推測(cè)OsXCL基因可能位于細(xì)胞分裂素（Cytokinin, CK）信號(hào)傳導(dǎo)途徑上游，通過(guò)細(xì)胞分裂素A類(lèi)應(yīng)答調(diào)節(jié)子OsRRs作用于下游響應(yīng)基因，如細(xì)胞周期G1/S期相關(guān)基因，促進(jìn)頂端分生組織細(xì)胞有絲分裂以增加細(xì)胞數(shù)目，增加細(xì)胞體積，同時(shí)調(diào)節(jié)細(xì)胞的軸向性生長(zhǎng)，最終增加水稻籽粒大小和產(chǎn)量，調(diào)控水稻生長(zhǎng)發(fā)育。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsSGL基因能同時(shí)正向調(diào)控水稻的耐非生物逆境，如旱性、高鹽、低溫等能力。
糧食高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)是植物基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究的兩個(gè)最重要目標(biāo)。大多數(shù)已克隆的控制水稻粒形、粒重的重要基因?yàn)樨?fù)調(diào)控基因，且某些基因功能的行使需要不同遺傳背景下的特異遺傳因子。而水稻粒形變大、粒重增加常常帶來(lái)稻米品質(zhì)下降問(wèn)題，因此，其實(shí)際育種應(yīng)用還有一定難度。而OsSGL基因則可做為新的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、“理想株型”超級(jí)稻分子選育候選基因直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。對(duì)該基因分子作用機(jī)理的深入挖掘也為水稻組織器官生長(zhǎng)發(fā)育及逆境響應(yīng)協(xié)同調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究開(kāi)辟新的道路。
該研究成果近期以OsSGL, a novel pleiotropic stress-related gene enhances grain length and yield in rice為題，發(fā)表在Nature子刊Scientific Reports上。該研究得到了亞熱帶生態(tài)所公共技術(shù)服務(wù)中心的大力支持，該研究也得到了國(guó)家自然基因、湖南省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1 OsSGL基因轉(zhuǎn)入多個(gè)水稻品種中過(guò)量表達(dá)使水稻粒長(zhǎng)增加