又一篇！南京农业大学强胜团队在杂草稻倒伏分化机制研究中取得重要进展

近日，植物学主流期刊Journal of Experimental Botany（5年IF 8.331）在线发表了南京农业大学杂草研究室强胜教授团队的研究论文“Characterization of lodging variation of weedy rice”，该研究揭示了杂草稻通过木质素通路基因的DNA甲基化变异影响木质素合成并影响到茎秆强度导致中国杂草稻倒伏性南高北低的地理分化。这一机制的揭示也为水稻育种提供理论参考。

倒伏是水稻、小麦、玉米、油菜等直立生长作物在外界或自身过量载荷的影响下由自然生长的直立状态变为倾斜或匍匐状态的错位过程，会严重影响作物产量、品质及其收获，因此是育种中必须考虑的重要性状，不过，这一数量性状形成的机制尚不十分清楚。杂草稻作为稻田恶性杂草，其倒伏可以逃避收获，持续在稻田发生危害。早熟的杂草稻倒伏还会牵绊水稻一起倒伏，严重影响水稻的产量和品质，是危害水稻的重要途径之一。

南京农业大学杂草研究室强胜教授团队在对全国287个杂草稻种群和其伴生的栽培稻的倒伏性比较研究发现，倒伏性与纬度负相关，与发生地的降水量正相关。杂草稻比其伴生的栽培稻具有更强的倒伏性。南方的籼型类杂草稻具有高倒伏性，而北方的粳型类杂草稻倒伏性则较弱。这种倒伏分化对杂草稻生存的最大助益是帮助其逃避收获而又可以延迟其种子回馈到土壤种子库中，从而避免种子在南方潮湿土壤的非适宜季节迅速发芽或腐烂。但是在土壤干燥且临近冬季气温下降的北方，就无需这种倒伏机制的存在。

图1 降水和纬度对中国杂草稻倒伏率和倒伏指数分化的影响

为了揭示倒伏分化的机制，该研究系统测定了决定茎秆强度的形态、解剖结构、物质组分等性状，结果表明倒二节的木质素含量、纤维素与木质素含量比是影响茎秆强度最终决定倒伏性的关键性状。木质素能提高抗倒伏能力，然而纤维素与木质素含量比的降低会降低抗倒伏性，两者的联合作用最终影响杂草稻的倒伏分化。进一步通过转录组和甲基化组分析发现，杂草稻和栽培稻的CHG超甲基化、CG低甲基化和CHG低甲基化锚定基因在碳水化合物及其衍生物结合的GO term和丙氨酸代谢途径中显著富集，木质素合成通路相关基因OsPAL1、Os4CL3、OsSWN1和OsMYBX9 的DNA甲基化水平影响了木质素合成基因的表达，进而影响木质素的合成，并最终影响杂草稻之间以及杂草稻与其共伴生栽培稻之间茎秆强度和倒伏性的分化。

图2杂草稻和伴生栽培稻之间差异DNA甲基化基因的富集分析以及关键木质素合成基因DNA甲基化水平和基因表达水平密切相关。

图3 DNA甲基化调控木质素合成赋予杂草稻茎秆强度分化的信号通路

该论文以南京农业大学为第一知识产权单位，已毕业博士生王浩权和钟山青年研究员鲁焕博士为共同第一作者，生命科学学院强胜教授为通讯作者，该团队的宋小玲教授、戴伟民副教授、张峥讲师、硕士研究生杨紫璇、张子旭、李梦烁，以及美国华盛顿大学Kenneth M. Olsen教授等也参与了该工作。该研究得到了崖州湾种子实验室揭榜挂帅项目（B21HJ1001）、海南省重大科技项目（ZDKJ202002）、国家自然科学基金（31572066）、国家转基因重大专项（2016ZX08011-001）等多个项目的联合资助。

论文连接：https://doi.org/10.1093/jxb/erac480。

转自：“iPlants”微信公众号

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