而栽培稻的起源与驯化对人类农业文明的发展起到了重要的推动作用,揭示了lncRNA调控水稻重要农艺性状变异的分子机制

日前,中国农科院作物科学研究所万建民创新团队在水稻穗型与粒型调控研究取得新进展。研究结果为阐明水稻粒型与穗型形成的分子机制提供理论依据,同时对挖掘和利用新的遗传变异资源起到积极的推…

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2018年1月8日,中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室李家洋院士代表其领衔的攻关团队在人民大会堂领奖台,从中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平同志手中接过标志我国自然科学领域最高奖殊荣的国家自然科学一等奖证书。

作物科学研究所万建民创新团队最近在国际权威刊物《the plant
journal》在线发表了题为“an evolutionarily conserved gene, fuwa, plays a
role in determining panicle architecture, grain shape and weight in
rice”的研究论文。该论文第一作者为陈隽博士与高赫博士,通讯作者为万建民教授。

中国农科院作物科学研究所水稻优异种质资源发掘与创新利用创新团队、作物基因组选择育种创新团队和美国华盛顿圣路易斯大学肯·奥尔森团队合作,完成了水稻及其祖先种非编码区长链非编码RNA的注释,研究了水稻lncRNA的进化历史,并从全基因组水平揭示了lncRNA调控水稻重要农艺性状变异的分子机制。相关研究结果北京时间12月18日零时发表于《科学进展》。

李家洋院士领衔的攻关团队包括中国科学院上海生命科学研究院韩斌院士、中国农业科学院中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室钱前研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室王永红研究员和中国科学院上海生命科学研究院黄学辉研究员等科学家,因水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计研究荣获2017年度国家自然科学一等奖。

穗型及粒型是水稻重要的农艺性状,与稻米的产量以及外观和加工品质紧密相关。其中水稻直立穗型是继矮化和理想株型育种后,在适应更高产要求中的又一项重要的形态变化,在我国北方地区大面积推广,成为株型育种的一项重要形态指标。

水稻优异种质资源发掘与创新利用创新团队首席、中国农科院作科所研究员杨庆文表示,阐明非编码区变异是揭示作物遗传变异的基础,对农艺性状多样性形成的作用机理具有重要意义。而普通野生稻是亚洲栽培稻的近缘野生祖先种,研究二者之间lncRNA的差异有助于深入了解水稻进化中重要农艺性状多样性形成的分子机制。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,养活了世界上一半以上的人口。以驯化栽培主要农作物和驯化饲养主要家畜为标志的农耕文化对人类文明的发展具有里程碑的重大意义,而栽培稻的起源与驯化对人类农业文明的发展起到了重要的推动作用。《诗经》中已有八月剥枣,十月获稻的诗句,可见中国种植水稻的历史源远流长。

水稻穗型和粒型的形成是受多基因控制的数量性状,形成的过程中包含表达水平与蛋白水平的复杂调控过程,其机制尚未明确,许多与之相关的基因仍有待被分离和鉴定。

研究人员通过多重组学方法对水稻lncRNA进行分析发现,与其祖先种普通野生稻相比,亚洲栽培稻中95%的lncRNA表达量下调,且下调的lncRNA在进化过程中具有与受定向选择的基因组区段具有一致的群体遗传学特征。

在人类漫长的发展史上,特别是通过近现代的遗传选育,留下了数以万计的水稻地方品种和水稻种质资源。这些地方品种和种质资源具有广泛的遗传变异,以适应不同种植区域的地理与气候条件。对东亚和南亚等人口高度密集的地区而言,米饭是餐桌上必不可少的主食,亚洲栽培稻因而成为世界上种植面积最大的粮食作物之一。亚洲栽培稻主要分为两大类型,即主要种植在热带和亚热带的籼稻和主要种植在温带和寒带的粳稻。相对而言,籼稻的产量较高,粳稻的食用品质更好。

万建民领导的作物功能基因组学创新团队以水稻宽粒和直立穗突变体fuwa为材料,通过图位克隆的方法鉴定分离了一个水稻粒型和穗型的关键调控因子fuwa。该基因编码一个含有nhl结构域的未知功能蛋白,该结构域的功能在植物中未见报道。研究发现,fuwa主要在穗原基和小花原基部位表达,通过负调控细胞分裂影响稻穗的生长发育。对125份来自16个不同地区水稻品种的fuwa编码区的测序和遗传多样性分析结果表明,fuwa基因在这些资源中高度保守。在所测的普通野生稻中一共存在13种fuwa氨基酸单倍型,而受瓶颈效应影响,栽培中只包含一种单倍型。遗传转化实验结果表明,普通野生稻中的13种单倍型以及玉米高粱中的fuwa同源基因都可以恢复fuwa突变体的表型,表明fuwa是一个自然界中暂未发现的新的遗传变异资源且fuwa同源基因在其他禾本科植物中行使类似的调控细胞分裂的功能。

这些差异表达的lncRNA的靶基因富集于与碳固定能力和碳水化合物代谢相关的位点。通过实验验证了3个lncRNA表达量降低直接导致水稻种子淀粉含量和粒重的增加,揭示了水稻产量和品质的多层次调控机制。

在现代水稻研究和生产应用中存在几个突出的科学难题:控制水稻产量与食用品质的遗传基础是什么?野生稻被驯化为现代栽培稻的溯源和过程是什么?不同水稻品种和种质资源中遗传多样性的分布情况是什么?在解析上述问题的基础上,如何通过分子设计育种培育高产优质的水稻现代新品种?李家洋院士领衔的团队经过十余年的艰辛攻关,破解了上述科学难题。

该研究为阐明水稻粒型与穗型形成的分子机制提供理论依据,同时对挖掘和利用新的遗传变异资源起到积极的推动作用。

该研究首次从全基因组水平对水稻及其祖先种的lncRNA结构、表达模式、分子机制和进化历史进行深入研究,揭示了lncRNA调控水稻重要农艺性状变异的分子机制,为水稻农艺性状变异研究提供了新思路,可为水稻全基因组设计育种提供路线图,对于水稻遗传改良具有重要的指导意义。

提升水稻产量是科学家们不懈追求的目标。在始于二十世纪60年代广为人知的绿色革命中,科学家们利用一个半矮秆性状基因适当降低了小麦和水稻的株高,克服了株高过高易倒伏的问题。在水稻生产中,半矮秆性状基因的利用对东南亚和我国沿海等台风易发地区的水稻高产、稳产起到了巨大的推动作用。二十世纪70年代,以袁隆平院士为代表的我国科学家成功实现了水稻杂交育种理论与技术的突破,使我国南方、东南亚等主要水稻生产区的产量实现了第二次飞跃,为解决日益增长的人口压力做出了历史性的贡献。随着世界人口激增以及对食用品质要求的不断提高,现代水稻育种理论和技术亟待新的突破。

来源:科技日报

水稻产量由有效穗数、每穗粒数、结实率和粒重等要素决定。其中,水稻株型由植株高度、分蘖数目和分蘖角度等因素构成。水稻的株型或高矮胖瘦直接影响植株的光合作用效率与土地利用率,进而影响有效穗数和穗粒数,是决定水稻产量的关键因素。水稻的理想株型是现代育种理论和技术中孜孜追求的一个梦想。团队成员经过十余年的艰苦探索和攻关,发现分离了控制水稻理想株型的主效基因IPA1
(英语理想株型的缩写),并深入解析了由IPA1主导的调控理想株型的网络系统。

♔采编:小同 ♔排版:小同

值得指出的是,在水稻科学研究强国日本,IPA1的一个遗传变异被称为富裕农民的稻穗,彰显这一基因的重要性。与此同时,团队在解析水稻株型形成的遗传调控网络的研究中,揭示了植物新型激素独脚金内酯调控株型发育的重要作用和调控机理。相关研究成果先后入选2010年度中国科学十大进展和2014年度中国科学十大进展,成为在短短5年内同一研究团队两次入选中国科学十大进展的突破性成果。团队的上述以及前期的研究成果,开创性地建立了控制水稻株型形成、特别是理想株型形成的理论框架,受到国际学术界的广泛认可和赞誉。

在现代作物育种中,产量不是唯一追求的主要目标。在我国稻米市场上,东北大米因其食用和蒸煮品质优良而成为消费者的首选。稻米的食用和蒸煮品质主要由直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度以及三者之间的互作而决定。对稻米品质的研究相对滞后,其重要原因之一是决定品质性状的遗传网络复杂,而对于决定稻米食用和蒸煮品质这一重要性状而言,在定量测定指标上也存在很大的困难。团队开创性地通过关联分析等手段,发现了调控稻米品质三个重要理化指标的主效基因,解析了直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度的相关性,发现了决定这3个性状的主效基因和微效基因及它们之间的作用关系,从而揭示了调控稻米食用和蒸煮品质的精细调控网络。

亚洲栽培稻的起源是一个在学术界长期争执不休的问题。团队采用基因组学、群体遗传学和系统发生分析等研究手段发现粳稻首先从我国南方地区的普通野生稻种群体被驯化,之后部分驯化的粳稻与东南亚、南亚当地的普通野生稻种群杂交而驯化出籼稻。这一研究成果揭示了野生稻驯化为亚洲栽培稻的重要性状变化与遗传机制,得到了国际学术界的广泛认可。团队通过开发全新的基因分型算法和水稻全基因组关联分析方法,对千余份不同遗传背景的代表性水稻种质资源和地方品种材料进行了系统分析,构建出高密度的水稻单倍体型图谱,摸清了世界水稻核心资源的遗传变异的家底,为充分利用丰富多样的水稻遗传资源、开展水稻分子设计育种奠定了基础。

团队充分利用基础理论研究的优势和成果,建立了水稻分子设计育种的理论框架与技术体系,培育了基于理想株型的嘉优中科系列水稻新品种和具有籼稻产量、粳稻品质特征的广两优系列品种,已经在长江流域进行推广,为我国水稻分子设计育种与生产的跨越式发展奠定了开创性的基础。

国际著名作物遗传学家、国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士李振声高度评价这一重大成果是继绿色革命和杂交水稻后的第三次重大突破,标志着新绿色革命的起点。

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