水稻作为高耗水作物，对干旱极为敏感。随着全球人口的快速增长和水资源的日益短缺, 干旱造成的产量损失对粮食安全构成了重大威胁。水稻和旱稻是在长期演化过程中, 形成的两种不同生态类型。与水稻相比, 旱稻主要种植于干旱、半干旱的通透性土壤中, 可节约80%以上的灌溉用水。因此, 利用水、旱稻种质资源挖掘重要育种价值的抗旱基因, 深入解析其抗旱分子机制, 对于抗旱分子育种至关重要。
2024 年 9 月 2 日，中国农业大学李自超/李金杰团队在 Molecular Plant 杂志上在线发表了题为 "The OsNAC41-RoLe1-OsAGAP module promotes root development and drought tolerance in upland rice" 的研究论文。该研究通过全基因组关联分析挖掘了一个调控水稻根系发育与抗旱性的新基因 ROOT LENGTH 1 (RoLe1), 并揭示了 OsNAC41-RoLe1-OsAGAP 分子模块调控水稻根系发育与抗旱性的分子机制。该研究为水稻分子育种提供了重要的遗传靶标。
RoLe1调控水稻根系发育与抗旱性
该研究利用667份水稻种质资源的根长表型和243份水稻种质资源的抗旱指数进行全基因组关联分析, 在1号染色体分别检测到两个重叠的QTLs: 根长QTL, qRL1-2和抗旱QTL, qDR1-1。结合两份典型的长根系旱稻材料（IRAT109和Haogelao）和两份短根系水稻材料（NIP和Yuefu）的转录组分析, 挖掘了一个调控根系发育与抗旱性的新基因 ROOT LENGTH 1 (RoLe1), 其编码蛋白包含一个NADPH依赖的FMN还原酶结构域。
研究发现, RoLe1过表达转基因株系的根长和抗旱性显著提高, 田间中度干旱条件下, RoLe1过表达转基因株系的干生物量和产量相关性状（每穗粒数、结实率和单株产量）均显著增加, 而敲除和RNAi转基因株系则显著降低, 表明RoLe1作为一个正调控因子, 调控水稻根系的发育与抗旱性。
RoLe1受OsNAC41直接调控,
与OsAGAP相互作用
进而抑制生长素的内流
研究发现, proRoLe1-526T为优异自然变异, 增加了OsNAC41与其结合并激活其转录的能力。进一步通过Y2H、BiFC、LCI、Co-IP和Pull-down等实验证明RoLe1与OsAGAP相互作用, 而OsAGAP是一种参与生长素依赖性根系发育的ARF-GTP酶激活蛋白。LUC和蛋白稳定性实验结果证明RoLe1与OsAGAP互作干扰OsAGAP的功能, 改变了根系中生长素的极性运输, 导致生长素的内流率减低, 进而调节根系发育, 提高水稻的抗旱性。
RoLe1的起源演化与育种潜力分析
起源演化分析发现, proRoLe1-526T作为一个新的优异等位变异, 在热带粳稻和旱稻中得以保留, 主要分布在区域III（东南亚）地区（干旱少雨的旱季）。育种潜力分析发现, 含有proRoLe1-526T优异等位变异的种质资源具有长根系表型,其在热带粳稻和旱稻改良品种中已经被广泛利用。
RoLe1近等基因系的抗旱性显著提高
该研究以干旱敏感的水稻品种Yuefu作为受体, 导入旱稻IRAT109的RoLe1优异单倍型, 在大田中度干旱条件下, 近等基因系的抗旱性和单株产量显著提高。该研究最终揭示了RoLe1优异等位变异调控旱稻长根系和抗旱性的遗传机制, 为水稻抗旱性研究提供了重要的见解, 同时为抗旱育种提供了重要的基因资源。
结论与讨论
该研究利用稻种资源, 结合全基因组关联分析和转录组分析挖掘了一个调控根系发育与抗旱性的新基因RoLe1, 其通过影响生长素的内流促进根系的发育, 从而提高水稻的抗旱性。研究论文提出了利用稻种资源挖掘旱稻优异自然变异,为水稻抗旱分子育种提供了新思路。
中国农业大学水稻研究中心 李金杰 教授为论文通讯作者。中国农业大学博士生研究生 韩市陈 为论文第一作者。中国农业大学 李自超 教授、张洪亮 教授、张战营 副教授和 孙兴明 副教授以及团队多名成员参与了该工作。研究工作还得到了复旦大学 罗小金 教授的大力支持与帮助。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国海南省种业实验室和中国种子集团项目的资助。
李自超/李金杰 教授团队长期从事稻种资源抗旱、耐冷的遗传机制解析工作，利用水旱稻、耐冷种质和微核心种质构建DH、NIL、ILs和MCC-NAM等一系列遗传材料，在抗旱、耐冷研究领域发掘了十余个重要基因，相关研究结果分别在国际重要期刊Nature Communications、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Journal of Integrative Plant Biology、Plant Journal等发表。
藏粮于地、藏粮于技，作物科学是农业发展的关键。为促进作物领域科技创新进展交流，加强创新人才培养，弘扬学科优秀文化，推动现代农业高质量发展，在国内兄弟单位大力支持下，中国农业大学农学院牵头创立“作物科学联盟”公众号，旨在搭建作物科学领域创新思想的交流平台，弘扬科学家精神，传播科技兴农的新理念、新技术、新产品，引领全国作物学学科的创新与发展。
