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鱼与熊掌兼得:从屯垦戍边到高产稳产

发布时间:[2019-4-1 11:33:8]    浏览量:41次
  作物抗病过程是一个耗能的过程,高抗的作物往往在产量相关性状上表现不好;而高产的品种也常常面临感病的问题,在粮食稳产上有很大的隐患。作物的高抗与高产恰似鱼与熊掌,很难兼得,是困扰育种家的一大难题。只有将抗病与高产这一对矛盾平衡好,才能培育出高产高抗的作物新品种,作物才能高产又稳产,有效保障国家的粮食安全。
  为了获得高产高抗的水稻新品种,一般的策略是在抗病基因库中寻找生长代价较小的抗病基因,然后导入到产量性状较好的品种中去。由于这些抗病基因大都具有小种特异性,只针对一种或有限几种病原菌,所以需要集腋成裘-聚合多个抗病基因,这些抗病基因对于产量的影响累积起来就明显降低了作物产量,造成利用这种策略培育出高产高抗新品种的成功例子较少。南京农业大学“作物遗传与种质创新国家重点实验室”的杨东雷教授瞄准这一种业难题,从中国屯垦戍边这一延续至今的政策中受到启发,独辟蹊径,首次尝试在高产基因资源库中寻找具有抗病功能的基因,通过诱导型地表达抗病基因使水稻达到了既高产又高抗的育种目标。
  中国科学院院士李家洋在2010年,首先发现水稻理想株型基因IPA1(Ideal Plant Architecture1, IPA1/OsSPL14),适度上调IPA1后可以减少水稻的无效分蘖,增加穗的分支,增强秸秆的强度,最终增加单位面积的产量。因此,含有ipa1-1D与ipa1-2D两个功能获得性等位基因的水稻品种得到了大面积推广种植。
  杨东雷团队在筛选高产基因资源库中发现IPA1的表达在白叶枯病原菌侵染时发生改变,暗示他们可能参与抗病过程。他们进而检测了含有ipa1-1D与ipa1-2D的高产水稻品种,但遗憾地发现这些品种在抗病上表现一般,验证了鱼与熊掌不可兼得。他们超表达了IPA1,发现这些水稻对白叶枯病具有广谱的高抗能力,但这些水稻材料分蘖极度减少、穗子缩短、育性降低,最终造成水稻产量大幅下降,再次验证了鱼与熊掌不可兼得。
  为了获得高抗与高产的水稻,杨东雷团队利用白叶枯病菌TALE类效应因子诱导表达的OsHEN1的启动子表达IPA1, 获得了他们命名的HIP水稻。在没有病原菌侵染时,类似ipa1-1D与ipa1-2D,HIP水稻微量上调IPA1的表达量,所以表现出少蘖、大穗、茎粗等表型,最终提高了产量。当有白叶枯病侵染时, IPA1被强烈诱导表达,极大增强了抗病性。更重要的是在白叶枯病侵染时,HIP水稻也表现为高产。HIP水稻就像屯垦戍边的农民,和平时期种田耕地、交税纳粮、发展经济,战乱时期,放下锄头就拿起刀枪、浴血奋战、保家卫国,当战乱平息,战士又变回农民,实现了鱼与熊掌的兼得。
相关工作,3月18日在线发表在国际顶级期刊《自然-植物》上(https://www.nature.com/articles/s41477-019-0383-2)。
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