2023-02-23 09:34:47
水稻是全國(guó)人民生活中最重要的糧食作物之一有超過60%的人以它的產(chǎn)物大米為主食如何培育出產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好的水稻？一直是農(nóng)業(yè)科學(xué)家們不斷思考探索的問題
在2月15日第二屆“科創(chuàng)中國(guó)·天府科技云服務(wù)大會(huì)”開幕式上發(fā)布的“待轉(zhuǎn)化十大重大科技成果”之一——“一種水稻粒型相關(guān)蛋白GIF1及其編碼基因與應(yīng)用”則又給出了一個(gè)新的解決思路。據(jù)悉，此項(xiàng)研究成果由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所李雙成、李平團(tuán)隊(duì)研發(fā)取得，轉(zhuǎn)化落地后有望使水稻的千粒重增加20%，讓人們吃上更“胖”的米粒。
近日，記者專訪四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所生物技術(shù)團(tuán)隊(duì)主任、西南作物基因資源發(fā)掘與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員李雙成教授，探索“大米增重”成果背后的秘密。
想讓大米“長(zhǎng)胖”？得給它準(zhǔn)備一件寬敞外套
能讓“大米增重”的分子模塊是這項(xiàng)成果的核心。相關(guān)研究論文顯示，該成果證明了OsmiR396c-GLW2-OsGIF1分子模塊調(diào)控水稻粒型和粒重，該模塊的導(dǎo)入可使水稻的千粒重增加20%，從而提高水稻產(chǎn)量。但是此分子模塊讓米?！伴L(zhǎng)胖”的原理是什么呢？
ΔGLW2基因提高了雜交水稻產(chǎn)量，有NIL后綴的為含GLW2基因的雜交稻（NIL即近等基因系）
簡(jiǎn)而言之，就是在米?！俺錾鷷r(shí)”給它準(zhǔn)備一件“寬敞的外套”。采訪中李雙成告訴記者，目前的研究普遍認(rèn)為，在光合足夠的情況下，水稻種子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)生和積累是足夠的，但如果“庫(kù)容”不夠，米粒也無法長(zhǎng)得更大。
Δ稻谷的結(jié)構(gòu)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
“庫(kù)容”即是穎殼（稻殼）的容量，對(duì)殼中糙米大小的影響非常大，“如果水稻最初形成的穎殼小了，里面灌漿再充分、作物產(chǎn)生的淀粉再多，最終形成的米粒最多就是飽滿一點(diǎn)，很難增大?！倍麄儼l(fā)現(xiàn)的分子模塊主要通過調(diào)控細(xì)胞的擴(kuò)張和增殖，在水稻籽粒發(fā)育的早期將穎殼擴(kuò)大，解決“庫(kù)容”問題，“當(dāng)穎殼足夠?qū)挸ǖ那闆r下，只要作物的光合作用沒有受阻，理論上它的籽粒就會(huì)變大?！?/p>
ΔOsmiR396c-GLW2-OsGIF1模塊通過調(diào)控細(xì)胞擴(kuò)張調(diào)控籽粒大小，圖為GLW2基因作用情況
有趣的是，后來該分子模塊的核心組分還被其他研究證實(shí)是一個(gè)“氮高效”基因，“它不但可以促使穎殼長(zhǎng)大，實(shí)際上也提高了水稻的氮素吸收和同化轉(zhuǎn)運(yùn)過程?！崩铍p成表示這是一個(gè)令人興奮的新發(fā)現(xiàn)，它意味著這個(gè)分子模塊在提高產(chǎn)量的同時(shí)，還有助于肥料的節(jié)省，利于環(huán)境保護(hù)。
研發(fā)歷程：8年攻關(guān) 確定目標(biāo)分子模塊
“影響水稻產(chǎn)量的因子有很多，包括千粒重、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率等，2020年前，我國(guó)對(duì)水稻產(chǎn)量的剖析已有較大進(jìn)展，其中進(jìn)展最好的一個(gè)領(lǐng)域就是千粒重基因相關(guān)研究?！睋?jù)李雙成介紹，決定粒重性狀的相關(guān)基因受環(huán)境影響小、遺傳效應(yīng)大，這也是他們團(tuán)隊(duì)選擇從它入手的原因。在定下方向后，從最開始的在種質(zhì)資源庫(kù)里篩選材料，到分子模塊模型建立，再到評(píng)估該模型價(jià)值，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了約8年的努力。這個(gè)過程中，他們很幸運(yùn)地找到了千粒重達(dá)到60克，重量為平常稻谷1倍多的水稻材料作為基因供體，但也遇到過重重困難。李雙成認(rèn)為其中最具挑戰(zhàn)性的就是將目標(biāo)基因克隆出來，以及系統(tǒng)地證明它的功能。“我們?cè)跇?gòu)建遺傳群體、連續(xù)回交方面花了大概四五年時(shí)間。”他表示，由于水稻的千粒重是由眾多基因共同決定的，為了探究究竟是哪些基因真正起到了提高粒重的作用，團(tuán)隊(duì)需要通過雜交、持續(xù)回交的方式“過濾”無關(guān)基因，并建立近等基因系來進(jìn)行研究觀察。這樣的實(shí)驗(yàn)非常耗時(shí)，但在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，也只有這樣才能保證最后分離出準(zhǔn)確的目標(biāo)基因。
ΔGLW2基因在不同背景下提高了水稻產(chǎn)量，有NIL 前綴的為有GLW2基因的水稻（NIL即近等基因系）
而在拿到目標(biāo)基因后，團(tuán)隊(duì)還需要通過遺傳轉(zhuǎn)化，即轉(zhuǎn)基因的方式，證明該基因可以發(fā)揮作用，“比方說把這個(gè)基因轉(zhuǎn)到小粒水稻品種里面去，看其最后的稻米會(huì)不會(huì)變大，或者將大粒水稻品種中的該基因‘沉默’，看它結(jié)出的稻米會(huì)不會(huì)變小?！钡捎诋?dāng)時(shí)采用的秈稻大粒材料遺傳轉(zhuǎn)化效率極低，團(tuán)隊(duì)不得不將該基因?qū)肫渌子谵D(zhuǎn)化的秈稻背景，同時(shí)借助了部分粳稻材料，這一步也耗費(fèi)了大量時(shí)間。
ΔGLW2基因在不同背景下提高了水稻產(chǎn)量，有NIL前綴的為有GLW2基因的水稻（NIL即近等基因系）
不過李雙成也提到，隨著科技水平的進(jìn)步，以前的這些難題在現(xiàn)在已變得不那么難解。比如基因組學(xué)、代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尋找某些性狀的基因已經(jīng)不完全依賴于像從前那樣耗費(fèi)大量精力建立細(xì)致的近等基因系，“現(xiàn)在的測(cè)序技術(shù)可以快速地測(cè)出一組水稻的全部基因組，再通過大數(shù)據(jù)的方式將它與目標(biāo)性狀關(guān)聯(lián)，即可以讓計(jì)算機(jī)幫我們找出和目標(biāo)性狀相關(guān)的基因變化，從而拿到需要的基因序列?！?/p>
分子模塊設(shè)計(jì)育種：像搭樂高一樣改良作物
采訪中記者了解到，“一種水稻粒型相關(guān)蛋白GIF1及其編碼基因與應(yīng)用”這項(xiàng)成果屬分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)領(lǐng)域，這類技術(shù)始于分子設(shè)計(jì)育種理念，相比傳統(tǒng)育種技術(shù)，大大提高了育種的精確度和效率。目前分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)主要運(yùn)用于水稻育種領(lǐng)域，并逐步在小麥、玉米、鯉魚等農(nóng)產(chǎn)品的育種改良中開展。早在多年前，中國(guó)科學(xué)院就啟動(dòng)了“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。那么分子模塊設(shè)計(jì)育種的主要特征是什么？李雙成把它比喻成用“搭樂高積木”的方式改良作物，“比如我們知道一個(gè)能決定水稻高產(chǎn)性狀的分子模塊，如果哪個(gè)品種缺少這一模塊，我們就可以直接把這個(gè)模塊導(dǎo)入該品種，相當(dāng)于把一塊新的積木累加到這個(gè)品種原有的‘樂高基因塔上’?！甭犐先ズ芎?jiǎn)單，但拿什么“積木”、搭哪座“塔”、如何實(shí)現(xiàn)“有效搭建”等都藏著大學(xué)問。據(jù)李雙成介紹，比如在了解“積木”用途，即解析分子模塊，了解決定產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病等性狀的功能模塊方面，學(xué)界已有多年的研究歷史，雖然目前已有大量的相關(guān)基因被“解密”，但是實(shí)際用于育種的分子模塊，還是相對(duì)較少的。而當(dāng)不同的“積木”搭在同一座塔上時(shí)，它們可能還會(huì)互相影響，讓對(duì)方成為“無效積木”，“比方說決定產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的一些分子模塊，有些模塊放進(jìn)去是有矛盾的，會(huì)有負(fù)面影響。所以說我們對(duì)多個(gè)模塊之間的耦合研究是非常重要的，你要去證實(shí)哪些模塊放到一起是比較好的，哪些模塊放到一起它會(huì)起反作用。”為了高效地驗(yàn)證分子模塊的相互影響，業(yè)界正在開展分子模塊設(shè)計(jì)育種相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，“現(xiàn)在我們把已解析的分子模塊的功能和信息輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，它就能高效模擬出這些模塊的理論耦合效果。雖然最后我們還是得通過傳統(tǒng)手段去驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)的有效性，但這無疑有助于加快研究的進(jìn)程。”
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