雜草中的稗草是水稻的“頭號敵人”，其危害比水稻瘟菌更甚。但水稻也進(jìn)化出了自己對抗稗草的“生化武器”——稻殼素。這是一種防御性的次生代謝產(chǎn)物，通過根系分泌，進(jìn)而抑制周邊稗草等植物的生長。
過去5年，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院教授樊龍江團(tuán)隊(duì)聯(lián)合日本科學(xué)家團(tuán)隊(duì)努力攻關(guān)，首次揭示了相關(guān)基因在基因組上成簇排列是防御性化感化合物稻殼素合成的關(guān)鍵，同時(shí)證實(shí)這樣的基因成簇進(jìn)化事件在植物界已獨(dú)立發(fā)生多次。該成果5月14日發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。
稻殼素的產(chǎn)生機(jī)制
根據(jù)國際糧農(nóng)組織估計(jì)，雜草每年造成損失達(dá)950億美元。
為了更好應(yīng)對以稗草為主的稻田雜草，農(nóng)民種植一季稻谷至少要噴兩次除草劑。“如果不噴除草劑，成熟季節(jié)稻田里就看不到水稻了。”樊龍江說。
因此，稻殼素的“生化武器”作用對未來育種具有重要價(jià)值。探究稻殼素的生成機(jī)制顯得尤為必要。
目前已知植物中能產(chǎn)生稻殼素的只有水稻、大灰蘚和稗草?？茖W(xué)家已分別在水稻和稗草產(chǎn)生稻殼素的機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，基因成簇似乎是必要條件。
基因成簇是指，合成稻殼素的基因比較密集地排列在一起，呈簇狀。樊龍江說：“基因簇在進(jìn)化上有選擇優(yōu)勢，快速合成，抵御外來影響。”
大灰蘚要產(chǎn)生稻殼素，是不是也必須具備基因成簇？
中日科研人員通力合作，通過基因組學(xué)、酶學(xué)和基因功能研究發(fā)現(xiàn)，大灰蘚基因組上稻殼素合成相關(guān)基因的確同樣成簇存在，并參與稻殼素合成。基于已測序的100多個(gè)植物基因組序列大規(guī)模分析發(fā)現(xiàn)，目前在植物界中只有上述三個(gè)物種進(jìn)化出稻殼素基因簇。
樊龍江說，很多植物都進(jìn)化出了稻殼素合成相關(guān)基因，但是它們都不能合成稻殼素，因?yàn)檫@些物種的相關(guān)基因沒有成簇，只是零散地分布在各條染色體上。所以，植物要合成稻殼素，基因簇的進(jìn)化很重要。
物競天擇的獨(dú)立進(jìn)化
稻殼素合成的基因簇是從古老的祖先物種中遺傳而來，還是各自獨(dú)立進(jìn)化？
研究發(fā)現(xiàn)，這是物競天擇的獨(dú)立進(jìn)化事件。“也就是說，未來還可能發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生稻殼素的其他植物。”樊龍江說。
稗草是惡性雜草，競爭力強(qiáng)。如不防治稗草，稻田就是它的天下。
既然水稻和其重要對手稗草都能分泌具有殺傷性的稻殼素，那么兩者競爭孰強(qiáng)孰弱？為什么水稻還會敗下陣來？
樊龍江團(tuán)隊(duì)早前的研究已經(jīng)揭示，稗草還有一種秘密“生化武器”——丁布?？蒲腥藛T正在篩選對丁布不敏感，但又能產(chǎn)生大量稻殼素的水稻品種，這將對未來綠色育種產(chǎn)生積極影響。“植物合成大量次生代謝產(chǎn)物，我們的研究對于認(rèn)識這些物質(zhì)合成和進(jìn)化機(jī)制具有意義。”他說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1914373117
