記者從華大生命科學研究院獲悉，近日，該院聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學利用華大自主研發(fā)的Stereo-seq時空組學技術(shù)，系統(tǒng)性地解析了陸稻根系適應干旱的分子機制，并鑒定出關(guān)鍵調(diào)控基因HMGB1，為作物抗旱遺傳改良提供了新思路。相關(guān)成果發(fā)表于《分子植物》。
2005年，由華大主導完成的水稻全基因組精細圖以封面文章形式發(fā)表在《科學公共圖書館·生物學》上。從繪制水稻基因組工作框架圖和精細圖開始，華大就與水稻結(jié)下了不解之緣。此后，華大還聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學院、國際水稻研究所等共同完成了3010株亞洲栽培稻的重測序，并與云南大學教授胡鳳益合作，使“一次種植，多次收割”的多年生稻在全球大范圍的落地成為可能。
陸稻是我國西南地區(qū)特有的水稻類型，早在《齊民要術(shù)》中就有陸稻栽培的相關(guān)記載。與普通水稻相比，陸稻具備耐旱、耐貧瘠等優(yōu)良特性，使得種植方式更為簡便。這些優(yōu)勢很大程度上歸功于其強健發(fā)達的根系，然而目前針對陸稻根系分子機制的研究仍相對匱乏。
陸稻根系的表型。研究團隊供圖 在該研究中，研究團隊挑選了16個遺傳背景相近的水稻與陸稻品種，借助華中農(nóng)業(yè)大學的表型組平臺，系統(tǒng)性地研究了陸稻和水稻在生長過程中根系的表型變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于水稻，陸稻的根長較長、根莖較粗，盡管其冠根（禾本科植物特有的根系類型）數(shù)量較少，但卻表現(xiàn)出更強的抗旱性。這一“以質(zhì)取勝”的適應性策略，提示其根系可能存在獨特的分子調(diào)控機制。
針對這一表型差異，團隊通過Stereo-seq時空組學技術(shù)，成功構(gòu)建了陸稻根系發(fā)育的動態(tài)基因表達圖譜，重建了冠根原基的生長過程，揭示了陸稻胚芽鞘節(jié)的細胞類型及其分布。團隊還采用類似方法重建了水稻和陸稻根生長過程中的根尖細胞分裂分化過程，發(fā)現(xiàn)水稻根的中柱和皮層細胞的縱向發(fā)育是協(xié)同調(diào)控的。
隨后，研究團隊將水稻和陸稻根系發(fā)育的基因進行了比較，發(fā)現(xiàn)多個已報道的決定冠根數(shù)目和根長度的差異基因，并確定了它們所屬的細胞類型。同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)陸稻根尖分生區(qū)的細胞與代謝和轉(zhuǎn)錄翻譯活性顯著高于水稻，而在分生區(qū)表達差異最顯著的基因之一——HMGB1引起了研究者的注意，團隊通過遺傳學實驗證明，當在陸稻中高表達的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子HMGB1在水稻中被敲除后，水稻的根系變得更加強健，抗旱能力也顯著增強。
這項研究不僅揭示了陸稻適應干旱的分子基礎(chǔ)，還為作物抗旱遺傳改良提供了新思路。因為陸稻和水稻是“近親”，陸稻的抗旱基因更容易轉(zhuǎn)移到普通水稻中。未來，科學家或許能夠利用這些抗旱基因，培育出“少喝水”也能高產(chǎn)的水稻，幫助農(nóng)民有效應對干旱氣候帶來的挑戰(zhàn)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.04.001
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-3458-0.html科學家破譯陸稻抗旱基因密碼
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