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科学封面(第10期)——稗草与水稻相争的“秘密武器”

编辑:xdx 来源:浙江大学 时间:2017年10月27日 访问次数:602  源地址

“稻田水浅,江湖水深。”走在秋天的田埂上,浙大农学院的樊龙江教授发出感叹。他左边的稻田稻穗金黄饱满,而右边则是一番惨象,零星的水稻被杂草强势围攻,难觅踪影。为了搞清楚这场“江湖”之争,樊龙江团队对田间头号杂草——稗草进行了全基因组测序和水稻化感互作实验,找到了稗草与水稻相争的“秘密武器”,并对水稻育种指出了一种新的基因资源。

10月18日,相关研究论文Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed(www.nature.com/articles/s41467-017-01067-5)在Nature Communications在线发表。该研究前后历时6年,共有来自5个国家16个研究团队参与研究。中国水稻所郭龙彪研究员和浙大邱杰博士为论文共同第一作者,通讯作者为樊龙江教授和湖南省农科院柏连阳研究员。

  

发现“秘密武器”

我国农田中,稗草居15种危害严重的杂草之首。目前来说,防范这种杂草必须依靠喷施化学除草剂。

稗草和水稻亲缘关系不算近,相比之下,它与玉米和小麦关系更近。但不知从什么时候起,稗草却和水稻伴生在一起了,而且在外形、生长期和营养的需求,与水稻越来越接近,麻烦也越来越大。今年3月,美国科学家牵头国际杂草基因组协作组织(International Weed Genome Consortium, IWGC)组织第一次会议,来自七大洲的科学家确定了10个最优先需要开展基因组测序的单双子叶杂草清单,稗草位列Ten Most Wanted之首。 

http://www.news.zju.edu.cn/_upload/article/images/09/16/f32489e745959ce3492adb363042/12d45bf7-3363-495d-833c-891a19ffea7a.png

图:IWGC确定的10个优先开展基因组研究的单双子叶杂草(名单后附),其中稗草是重中之重的“通缉”对象(引自Karl Ravet)

  

樊龙江是作物科学研究所的专家,为了弄清通缉犯的套路,他决定变成“卧底”去探探。他希望通过基因组测序,在植物间寻找化感作用的相关线索。

植物化感作用简单的说就是植物的“化学武器”。生长过程中,植物会向环境释放特定的防御性化学物质,从而影响邻近植物生长。这种“化学武器”因为是内源性的,生态友好,所以在农业生产中被广泛用来杂草防控。之前研究的研究显示,水稻自身会分泌一种稻壳素,帮助其与稻田杂草(如稗草)竞争。

樊龙江团队通过基因组研究发现,稗草能分泌一种叫丁布的次生代谢产物,可以明显抑制水稻生长。他们在基因组研究中找到了能合成丁布的三个基因簇。在与水稻混种时,该基因簇会快速启动“制造”丁布。樊龙江说,丁布是稗草独有的秘密武器,而水稻没有。并且,水稻的“杀手锏”稻壳素,稗草也能合成。

因此,不倚仗除草剂的威力,水稻绝对“斗”不过稗草。


稗草“逆袭”

探清稗草“家底”,樊龙江又从“卧底”还原成作物学家,从水稻育种的角度想到了一件事。

盖茨基金会自2008年以来一直资助多个科学机构开展C4(碳4)水稻育种研究。水稻为C3(碳3)植物,而玉米、高粱等作物为C4作物。C4植物的光合效率要高出很多。科学家们一直希望能创制出C4水稻品种,从而提高水稻产量。

樊龙江说,可以利用稗草基因资源为水稻育种服务。稗草是典型的C4植物,与水稻有着相同的生境和株型,对于C4水稻育种来说是非常理想的模式植物和C4途径基因供体。“比如,我们可以先把稗草C4途径关键基因一个个导入水稻中,通过杂交方式将基因聚合,来看看这样聚合的水稻光合效率是否会提高,水稻的产量是否会明显提高?”相关的实验正在进展中,樊龙江说:“我希望稗草能‘逆袭’成功,成为水稻育种家门的掌上明珠。”

  

附:10种田间杂草中文名和拉丁文名

稗草Echinochola crus-galli;假高粱Sorghum halepense;黑麦草Loliumperenne;杂草稻Oryza sativa f.spontanea;看麦娘Alopecurusmyosuroides;二穗短柄草Brachypodiumdistachyon;反枝苋Amaranthus retroflexus;豚草Ambrosia artemisiifolia;扫帚苗Kochiascoparia;小飞蓬Conyza Canadensis。

(文/周炜朱原之)

  

  

媒体报道:

新华社(国内):http://news.xinhuanet.com/local/2017-10/24/c_1121848780.htm 

新华社(国际):http://news.xinhuanet.com/english/2017-10/24/c_136702860.htm

科学网:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/10/391825.shtm 

科技日报:http://digitalpaper.stdaily.com/http_kjrbsjb.com/kjrb/html/2017-10/24/content_380373.htm?div=-1

环球科学:http://mp.weixin.qq.com/s/5tjrY7yid1xwNlAt3vx-qw 

浙江新闻:http://zj.zjol.com.cn/news/783762.html?ismobilephone=1&t=1508943212658

  

  

科学家简介:

樊龙江现为浙江大学作物科学研究所/生物信息学研究所/沃森基因组科学研究院教授,博士生导师。2004年入选浙江省151人才计划第2层次;2005年入选教育部新世纪人才资助计划。主要研究方向: 1. 生物信息学与数量遗传 2. 作物基因组及其分子育种。联系方式:fanlj@zju.edu.cn

  





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