水稻产业|水稻增产提质始于“源”头
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水稻田 扬州大学供图
采访人员 李晨 通讯员 王一凡
作物产量的形成，一方面依靠光合作用，另一方面则依赖储藏能力 。生产和输出光合产物的器官被称为源器官，如叶片等；而接受和保存光合产物的器官被称为库器官，如种子等 。
【水稻产业|水稻增产提质始于“源”头】扬州大学农学院教授刘巧泉告诉《中国科学报》，提升源器官的光合效率和库器官的贮藏能力，以改良作物的整体农艺性状，是目前科学家广泛认可的“源库理论”的主要应用途径 。
近日，《植物生物技术杂志》在线发表了刘巧泉课题组最新研究成果 。他们首次证实了一个可以协调源库关系的关键源基因——水稻葡聚糖水合二激酶1（GWD1），在合理调控下能够同时改良水稻的产量和品质性状，具有很大的应用潜力 。
从“源”头找方向
“源器官和库器官的关系是决定作物整体农艺性状的核心 。”论文通讯作者、扬州大学农学院教授李钱峰告诉《中国科学报》，源器官生成光合产物的能力，以及库器官对光合产物的贮存能力共同影响作物的最终产量 。
刘巧泉说，克隆、鉴定与“源—库”相关的特定基因，并明确它们的分子功能，对于阐明“源—库”作用机理、促进生产实践中的作物产量提升具有重要意义 。
水稻是中国乃至世界人口的重要粮食作物之一，为保障粮食安全，水稻的“质”和“量”研究越发重要 。
“目前发现的影响水稻‘源库关系’的基因，大多数与库组织的特定性状相关，例如粒长、粒宽、粒重等 。而源基因的相关研究仍然较少，尤其缺乏具有应用潜力的源基因 。”李钱峰说，“在高产优质育种的目标要求下，我们迫切需要开展对源基因的系统深入研究 。”
为此，在开展了多年的基础研究后，一个在源器官叶片中调控淀粉代谢的关键酶基因——葡聚糖水合二激酶1进入了团队研究的视野范围 。
加快关键源基因“出圈”表达
科学家已经发现，叶片光合作用会产生瞬时淀粉，其向贮藏淀粉转化的效率对作物最终产量的形成具有重要影响，同时适当的淀粉磷酸化也可改善品质 。
已有研究证实，葡聚糖水合二激酶1参与了源器官叶片中瞬时淀粉的代谢调控，但目前有关其进化途径和酶的功能，特别是对种子相关重要性状的影响，大部分仍然未知 。
为了搞清这些问题，该团队利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术创建了葡聚糖水合二激酶1表达下调的弱突变体 。同时，通过驱动葡聚糖水合二激酶1基因在水稻叶片组织中过量表达，获得过表达转基因水稻 。他们想通过系统分析这两种遗传材料来解析该基因的功能，从而开展更深入系统的研究 。
“在此过程中我们发现，葡聚糖水合二激酶1基因表达的场所主要是在叶片中，如果能够使其特异性地在叶片中增强表达，就能避免或减少对水稻其他组织的影响，促进叶片中瞬时淀粉代谢的效率，更好地为库器官中储藏物质的合成提供原料 。”论文第一作者、扬州大学农学院硕士生王振说 。
为了让葡聚糖水合二激酶1基因在叶片中“出圈”表达，团队花了不少工夫，终于筛选出了一种名为Osl2的启动子，它不仅可以“帮助”葡聚糖水合二激酶1基因在叶片中高表达，而且不会随着叶片的衰老降低效率 。
进一步分析证实，利用Osl2启动子驱动的葡聚糖水合二激酶1过表达水稻在水稻产量、品质、萌发特性和抗逆性等方面都有显著提升，而对其他主要农艺性状未有明显负面效应 。
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