陆稻陆生适应性进化的遗传和分子机制

【作者】 黄立钰； 张石来； 黄光福； 张静； 胡凤益；

【机构】 云南大学；

【摘要】 水稻是世界上最重要的粮食作物之一,而陆稻作为适应旱地生存的一种生态型,在高原山地地区农业生产中发挥了重要地位。陆稻经过长期的进化,受到自然和人工选择的双重压力,进化出适应旱地且高产的陆稻生态型。课题组利用比较基因组学和群体遗传学对来自全球的84份陆稻和82份水稻进行了系统研究,通过进化的理论发掘鉴定陆稻生态型分化基因,并进一步解析关键基因的功能及介导陆稻适应性进化的分子机制。全基因组聚类分析显示,陆稻与水稻一样,均是从普通野生稻进化而来,粳型陆稻具有单一起源,而籼型陆稻可能具有多个起源。通过全面评价陆稻群体和水稻群体形态学表型,揭示了陆稻根系和分蘖是陆稻适应性进化中的重要表型变异。研究鉴定了陆稻IRAT104中的9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶基因(Os Nced2)存在一个改良品系标签位点(Elite variety tag SNP alleles, ETAS),该基因是脱落酸(ABA)合成代谢途径上一个关键限速酶基因,所有水稻品种在Nced位点的SNP突变都是胞嘧啶C型(Cytosine,水稻型),而陆稻品种中60%是胸腺嘧啶T型(Thymine,陆稻型),T型等位基因附近在陆稻中存在显著的选择信号,进一步功能分析证明陆稻该基因的SNP突变导致水稻和陆稻ABA合成量的改变而对陆稻根系生长和适应性具有显著的促进作用。对陆稻生态型分化关键基因OsTb2深入研究,验证了Os Tb2C是陆稻分蘖降低的驯化基因,该基因新功能化是陆稻分枝适应性进化的作用模式,并对Os Tb2基因的分子调控模型进行了解析:即OsTb2与Os Tb1相互作用,部分消除了Os Tb1对OsMADS57-D14通路的抑制作用,进而调控分蘖表型,结合陆稻Os Nced2介导的根系可塑性发育促进植株根冠比,进而促进陆稻的旱地适应性。研究工作不仅扩展了自然选择和人工选择下作物分枝进化理论,为了解陆稻陆生适应性进化的遗传和分子机制提供理论基础,为水稻节水抗旱育种提供新基因资源,具有重要的理论和现实意义。更多还原