2024年9月2日，中国农业大学李自超/李金杰教授团队在Molecular Plant 在线发表了题为“The OsNAC41-RoLe1-OsAGAP module promotes root development and drought resistance in upland rice”的研究论文。该研究利用水、旱稻稻种资源通过全基因组关联分析（GWAS）, 挖掘到一个调控根系发育与抗旱性的新基因Root Length 1 (RoLe1), 揭示了RoLe1通过OsNAC41-RoLe1-OsAGAP模块调节旱稻根系发育与抗旱性的分子机制。该研究为抗旱分子育种提供了重要的遗传靶标。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、旱稻种质资源挖掘具有重要育种利用价值的抗旱基因, 深入解析其抗旱分子机制, 对于抗旱分子育种至关重要。该研究通过全基因组关联分析并结合两份典型的长根系旱稻材料（IRAT109和Haogelao）和两份短根系敏旱水稻材料（NIP和Yuefu）的转录组表达分析, 挖掘到调控水稻根系发育与抗旱性的新基因RoLe1, 其编码蛋白包含一个NADPH依赖的FMN还原酶结构域, 并系统阐述了RoLe1正向调控水稻根系发育与抗旱性的遗传机制。
研究发现, proRoLe1-526T为优异自然变异位点，增加了OsNAC41与其结合并激活其转录的能力。进一步实验证明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, 该互作通过干扰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, 提高抗旱性。图2. RoLe1受OsNAC41直接调控, 并与OsAGAP相互作用
起源演化分析发现, proRoLe1-526T为一个新的优异等位变异, 其在热带粳稻或旱稻中得以保留, 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, 包含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。研究发现, 以干旱敏感的水稻品种Yuefu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得到显著提高。图4. RoLe1近等基因系的抗旱性和单株产量显著提高
综上所述, 该研究揭示了RoLe1优异等位变异调控根系发育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。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。![]()
