近日，中國水稻研究所和浙江大學(xué)合作揭示了稗草通過基因簇合成防御性次生代謝化合物，用于與水稻競爭和抵御稻田病菌的遺傳機(jī)制，為水稻C4育種提供了一個(gè)重要的基因遺傳資源。該研究成果已在線發(fā)表于《自然—通訊》，中國水稻研究所研究員郭龍彪和浙江大學(xué)邱杰為論文共同第一作者。

據(jù)悉，該研究得到國家自然科學(xué)基金委的重點(diǎn)資助，前后歷時(shí)6年，共有來自5個(gè)國家的16個(gè)研究團(tuán)隊(duì)參與研究。

水稻是我國主要的糧食作物之一，其產(chǎn)量事關(guān)國計(jì)民生。由于水稻生長于高溫多雨環(huán)境，稻田雜草種類繁多。其中，稗草被認(rèn)為是全球最嚴(yán)重的雜草危害之一，也是稻田最主要的雜草，嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量，被列為我國農(nóng)田15種危害最嚴(yán)重雜草之首。

稗草與水稻均屬于禾本科，其在生長期、株型及對(duì)營養(yǎng)的需求等生物學(xué)特性與水稻極為相似，是水田中最難防除的伴生性雜草，農(nóng)事操作不當(dāng)很易造成水稻產(chǎn)量的重大損失。

“目前，稻田除草主要依賴于化學(xué)除草劑。如果不進(jìn)行人工除草或不噴施除草劑，水稻難以與稗草競爭。”郭龍彪說，但大量使用除草劑不僅污染環(huán)境，還增加生產(chǎn)成本，并且由于稗草對(duì)除草劑抗性的產(chǎn)生，又進(jìn)一步導(dǎo)致除草劑用量大增。因此，在輔以栽培管理措施下，選育具有抑制稗草作用的“綠色水稻”，是減少化學(xué)除草劑使用的重要方式。

其中，植物化感是水稻和雜草互作的主要方式之一。化感作用是指植物向環(huán)境釋放特定的防御性化學(xué)物質(zhì)，從而影響鄰近植物生長的效應(yīng)。水稻與稗草之間就可以自身合成并釋放化學(xué)物質(zhì)來相互抑制生長，產(chǎn)生植物化感效應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，稗草能分泌一種叫丁布的次生代謝產(chǎn)物，可以明顯抑制水稻生長。他們?cè)诨蚪M研究中找到了能合成丁布的3個(gè)基因簇。稗草在與水稻混種時(shí)，該基因簇會(huì)快速啟動(dòng)“制造”丁布。項(xiàng)目主要研究者之一樊龍江說，丁布是稗草獨(dú)有的秘密武器，而水稻沒有，同時(shí)，稗草還能合成水稻的“撒手锏”稻殼素。

這是研究人員首次了解到稗草會(huì)利用基因簇的遺傳機(jī)制合成這些化合物來與水稻競爭，從而起化感作用。研究還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素和谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶基因具有解毒功能，以非靶標(biāo)抗性機(jī)制，直接參與雜草除草劑抗性的進(jìn)化。因而，利用化感作用進(jìn)行雜草防控將是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

水稻為C3植物，而玉米高粱等作物為C4作物。C4植物的光合效率更高，所以一直以來，通過創(chuàng)制C4水稻品種，提高水稻產(chǎn)量是水稻育種的一個(gè)重要目標(biāo)。稗草即為C4植物，同時(shí)與水稻有著相同的生境和株型，因而為C4水稻育種提供了一個(gè)最為理想的模式植物和C4途徑基因供體。此次研究獲得的稗草基因組，它的C4途徑相關(guān)基因已獲得，這為水稻C4育種提供了光明前景。

“比如，我們可以先把稗草C4途徑關(guān)鍵基因一個(gè)個(gè)導(dǎo)入水稻中，通過雜交方式將基因聚合，來看看這樣聚合的水稻光合效率是否會(huì)提高，及其產(chǎn)量是否會(huì)明顯提高。”相關(guān)實(shí)驗(yàn)正在順利開展中，樊龍江說：“我們希望稗草能‘逆襲’成功，成為水稻育種家們的掌上明珠。”