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近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院智能所吳躍進(jìn)課題組在水稻抗草銨膦基因發(fā)掘和功能研究方面取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)利用重離子輻照獲得對(duì)草銨膦具有耐受性的水稻突變種質(zhì)，克隆草銨膦抗性新基因，并對(duì)其基因功能進(jìn)行了深入解析。相關(guān)研究成果發(fā)表在植物分子生物學(xué)領(lǐng)域Top期刊Plant Biotechnology Journal上。
水稻是世界上最重要的糧食作物之一，養(yǎng)活了全球一半以上的人口。其中直播稻輕簡(jiǎn)栽培模式因其省時(shí)省力節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)，而得到廣泛推廣，但是草害卻嚴(yán)重影響著直播稻的生產(chǎn)與產(chǎn)量，因此水稻抗除草劑種質(zhì)資源的選育和研究對(duì)有效治理雜草和推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。草銨膦因其非選擇性、廣譜、高效的除草效果和人畜無(wú)毒、環(huán)境友好的特性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但目前在水稻中還未有關(guān)于抗草銨膦內(nèi)源基因的報(bào)道。因而，水稻抗草銨膦種質(zhì)創(chuàng)建以及基因發(fā)掘和育種，應(yīng)用對(duì)未來(lái)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分重要的作用。
科研團(tuán)隊(duì)深入開(kāi)展重離子束誘變抗草銨膦突變基因克隆和功能以及抗性機(jī)制研究。在大田篩選中獲得了具有草銨膦抗性的水稻突變體glr1和glr2，圍繞glr1突變體及控制基因，已申請(qǐng)專利并獲得授權(quán)，研究顯示，突變體glr1與野生型相比具有顯著的草銨膦耐受性（圖1）。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步圖位克隆和功能解析，科研人員發(fā)現(xiàn)了GLR1基因編碼生長(zhǎng)素應(yīng)答因子ARF家族中的ARF18。GLR1/ARF18可以直接結(jié)合下游基因OsGS1, OsCYP51G3 和 OsCATA的啟動(dòng)子并抑制其表達(dá)。草銨膦除草劑處理水稻時(shí)，GLR1基因受到誘導(dǎo)上調(diào)，從而抑制下游靶基因的表達(dá)，導(dǎo)致產(chǎn)生的活性氧以及氨積累得不到及時(shí)清除和代謝，最終導(dǎo)致植株死亡。而GLR1基因突變后，下游靶基因表達(dá)抑制得到解除，從而加速清除由草銨膦引起的過(guò)量的活性氧和氨的積累，使突變體glr1在草銨膦處理后快速恢復(fù)生長(zhǎng)，具有很好的草銨膦耐受性（圖2）。活性氧增加是植物對(duì)遭遇逆境的響應(yīng)，鑒于GLR1/ARF18在活性氧清除方面的作用，推測(cè)GLR1基因突變對(duì)非生物脅迫具有廣譜的耐逆性，進(jìn)一步進(jìn)行鹽處理和草甘膦除草劑處理發(fā)現(xiàn)，glr1突變體具有明顯的耐鹽和抗草甘膦除草劑效果。因此本研究成果一方面體現(xiàn)了GLR1基因在水稻抗草銨膦種質(zhì)資源利用方面巨大的應(yīng)用價(jià)值，填補(bǔ)了水稻抗草銨膦內(nèi)源基因研究的空白；另一方面，通過(guò)對(duì)GLR1基因在草銨膦抗性機(jī)制研究揭示GLR1基因在水稻非生物脅迫的廣譜抗逆性具有明顯效果，對(duì)適應(yīng)逆境生長(zhǎng)條件下水稻新品種的培育提供基因資源和理論基礎(chǔ)。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)、安徽省自然科學(xué)基金、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。為了加快GLR1基因在育種中應(yīng)用，種質(zhì)資源專利以及相關(guān)成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化上海中科荃銀分子育種技術(shù)有限公司。博士生任艷和劉斌美研究員為論文的共同第一作者，葉亞峰副研究員、中國(guó)科學(xué)院遺傳所傅向東研究員和吳躍進(jìn)研究員為共同通訊作者。
圖1 抗草銨膦水稻突變體大田篩選及驗(yàn)證
圖2 GLR1調(diào)控草銨膦抗性的工作模式圖
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