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科学家揭示超级稻是如何增产的



科学家揭示超级稻是如何增产的 


      超级稻是如何增产的?过去数十年来,通过杂交育种,水稻产量不断提升,已经超过1000公斤每亩,然而,在分子层面,究竟是怎样的变化使得水稻增产?

  近日,中国水稻研究所钱前院士团队联合中国农业科学院深圳农业基因组研究所共同研究克隆了一个水稻粒宽粒重基因并开展了功能分析,为阐明水稻粒形的遗传调控机制和高产分子育种奠定了基础。

  该研究成果在线发表在《新植物学家》上。

  三大要素决定水稻产量

  水稻产量主要由有效穗数、每穗实粒数和粒重这3个要素决定。水稻粒形指标包括粒长、粒宽、粒厚和长宽比,前三者与粒重密切相关,同时还影响稻米的外观品质和商品价值。

  虽然已克隆了一些控制水稻籽粒大小的重要基因,但水稻粒形粒重调控的分子机理仍不清楚。因此,有必要克隆新的水稻粒宽粒重基因,推动水稻籽粒大小的分子机理研究和水稻高产优质育种。

  TGW2基因的93-11等位型和培矮64s等位型的植株(a)、稻谷(b)、单株产量(c)和小区产量(d)的比较。(a)标尺=20厘米;(b)标尺=1厘米。TGW2基因的93-11等位型(G)和培矮64s等位型(A)在134个aus稻中的地理分布(e)以及TGW2基因和邻近区域在普通野生稻(绿线)、籼稻(黄线)、粳稻(蓝线)中的遗传多样性(p值)分析(f)。受访者供图  TGW2基因的93-11等位型和培矮64s等位型的植株(a)、稻谷(b)、单株产量(c)和小区产量(d)的比较。(a)标尺=20厘米;(b)标尺=1厘米。TGW2基因的93-11等位型(G)和培矮64s等位型(A)在134个aus稻中的地理分布(e)以及TGW2基因和邻近区域在普通野生稻(绿线)、籼稻(黄线)、粳稻(蓝线)中的遗传多样性(p值)分析(f)。受访者供图 

  据中国农科院水稻研究所研究员高振宇介绍,研究人员在利用前期构建的超级杂交稻“两优培九”的重组自交系和高分辨率遗传图谱基础上,检测到3个控制粒宽的遗传位点和2个控制粒重的遗传位点。采用大规模回交自交群体,克隆了一个控制粒宽粒重的基因——TGW2,该基因编码细胞数目调控因子。研究发现亲本品种培矮64s的等位型基因在孕穗期颖壳中的转录水平显著高于另一亲本93-11的等位型,颖壳的细胞数目显著减少。进一步研究发现了TGW2基因的启动子区引起表达差异的关键位点,TGW2蛋白与调控细胞周期的KRP1蛋白相互作用,负调控水稻的粒宽和粒重。将93-11的等位型基因导入培矮64s背景,产量可提高12.3%而不影响其他农艺性状。

  水稻增产具有重大意义

  我国是稻米消费大国,随着人口增长、耕地面积下降,如何提高水稻产量直接关系到国家的粮食安全和社会的稳定发展。

  此次发表的研究成果,为水稻育种提供了新的材料,据高振宇老师透露,“研究还在继续进行,目前正在做的是利用新的素材,通过育种技术,培育出新的杂交水稻,这一过程需要一定的时间”。

  值得注意的是,研究人员对来自世界各地具有广泛代表性的水稻种质资源的基因序列分析推测,培矮64s等位型基因最初出现在印度和孟加拉国,随后传播到中国等邻国。

  此外,研究还揭示,该基因受到了育种驯化选择,高振宇老师解释说,“也就是说,在过去的育种中,这一基因其实已经得到了利用,但因为传统育种主要从性状进行判断,没有进行分子层面的研究,所以虽然利用了该基因的等位型,但并不清楚其中的机理,此次研究解释了这一机理,意味着在以后的育种中,可以更加精准地选择出那些具备这一基因优良等位型的品种,从而更高效地培育出高产优质品种”。

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