記者從華大生命科學(xué)研究院獲悉，近日，該院聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)利用華大自主研發(fā)的Stereo-seq時(shí)空組學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)性地解析了陸稻根系適應(yīng)干旱的分子機(jī)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(dǎo)完成的水稻全基因組精細(xì)圖以封面文章形式發(fā)表在《科學(xué)公共圖書館·生物學(xué)》上。從繪制水稻基因組工作框架圖和精細(xì)圖開(kāi)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國(guó)際水稻研究所等共同完成了3010株亞洲栽培稻的重測(cè)序，并與云南大學(xué)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(guó)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(jiǎn)便。這些優(yōu)勢(shì)很大程度上歸功于其強(qiáng)健發(fā)達(dá)的根系，然而目前針對(duì)陸稻根系分子機(jī)制的研究仍相對(duì)匱乏。
陸稻根系的表型。研究團(tuán)隊(duì)供圖 在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)挑選了16個(gè)遺傳背景相近的水稻與陸稻品種，借助華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的表型組平臺(tái)，系統(tǒng)性地研究了陸稻和水稻在生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)較長(zhǎng)、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(qiáng)的抗旱性。這一“以質(zhì)取勝”的適應(yīng)性策略，提示其根系可能存在獨(dú)特的分子調(diào)控機(jī)制。
針對(duì)這一表型差異，團(tuán)隊(duì)通過(guò)Stereo-seq時(shí)空組學(xué)技術(shù)，成功構(gòu)建了陸稻根系發(fā)育的動(dòng)態(tài)基因表達(dá)圖譜，重建了冠根原基的生長(zhǎng)過(guò)程，揭示了陸稻胚芽鞘節(jié)的細(xì)胞類型及其分布。團(tuán)隊(duì)還采用類似方法重建了水稻和陸稻根生長(zhǎng)過(guò)程中的根尖細(xì)胞分裂分化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)水稻根的中柱和皮層細(xì)胞的縱向發(fā)育是協(xié)同調(diào)控的。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)將水稻和陸稻根系發(fā)育的基因進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)多個(gè)已報(bào)道的決定冠根數(shù)目和根長(zhǎng)度的差異基因，并確定了它們所屬的細(xì)胞類型。同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)陸稻根尖分生區(qū)的細(xì)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(dá)差異最顯著的基因之一——HMGB1引起了研究者的注意，團(tuán)隊(duì)通過(guò)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)在陸稻中高表達(dá)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(qiáng)健，抗旱能力也顯著增強(qiáng)。
這項(xiàng)研究不僅揭示了陸稻適應(yīng)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?yàn)殛懙竞退臼恰敖H”，陸稻的抗旱基因更容易轉(zhuǎn)移到普通水稻中。未來(lái)，科學(xué)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(yīng)對(duì)干旱氣候帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.04.001
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