稻殼素：水稻應對威脅的“生化武器”_風聞

來源：科學網   中國科學報   作者：崔雪芹 柯溢能    時間：2020/5/15

原文網址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/5/439789.shtm

雜草中的稗草是水稻的“頭號敵人”。它的危害比水稻瘟菌還要更甚。但水稻也進化出了自己對抗稗草的“生化武器”——稻殼素。這是一種防禦性的次生代謝產物，通過根系分泌，進而抑制其他周邊稗草等植物的生長。

過去5年裏，浙江大學農業與生物技術學院樊龍江教授團隊聯合日本科學家團隊努力攻關，首次揭示了相關基因在基因組上成簇排列是防禦性化感化合物稻殼素合成的關鍵，同時證實這樣的基因成簇進化事件，通過趨同進化在植物界已至少獨立發生了多次。這項成果於5月14日在美國《國家科學院院刊》發表。

稻殼素的產生機制

根據國際糧農組織（FAO）估計，雜草每年造成的損失高達950億美元。

眾所周知，農民為了更好應對以稗草為主的稻田雜草，需要至少噴打兩次除草劑，一來會造成農藥殘留，同時也會污染土壤和增加生產成本。“如果不噴除草劑，到了成熟季節，稻田裏就看不到水稻了。”樊龍江介紹。

因此稻殼素的生化武器作用，對於未來育種具有重要作用，從而探究稻殼素的生成機制顯得尤為必要。

目前已知自然界植物中能夠生產稻殼素的只有水稻、大灰蘚以及稗草。中日科學家已分別在水稻和稗草產生稻殼素的機制中發現，基因成簇似乎是必要條件。

何為基因成簇

就是在同一條染色體上，合成稻殼素的基因比較密集的排列在一起，呈簇狀。這就好像一個工業園上下游產業集聚在一起，能夠快速的將原料送到下游進而生產。樊龍江説：“基因簇在進化上有選擇優勢，快速合成，防禦抵禦外來的影響。”

那麼，是不是要產生稻殼素，就必須要基因成簇。於是課題組對尚未明確機制的大灰蘚開展研究。

為此，中日科研人員通力合作，通過基因組學、酶學和基因功能研究，發現大灰蘚基因組上稻殼素合成相關基因的確同樣成簇存在，並參與稻殼素合成。基於已測序的100多個植物基因組序列大規模分析，發現目前在植物界中只有上述三個物種進化出稻殼素基因簇。雖然一些植物也進化出稻殼素合成相關關鍵基因，但它們沒有在基因組上緊密排列成簇，因此無法合成稻殼素。

樊龍江説，很多植物中都進化出了稻殼素合成相關基因，但是他們都不能合成稻殼素。研究發現，這些物種的基因沒有成簇，只是零散的在各條染色體上，沒有聚集。所以説，最後結論，植物合成稻殼素，基因簇的進化很重要。

稻殼素的產生是物競天擇的獨立結果

隨着研究的深入，中日科學家對稻殼素合成的基因簇陷入了更深的思考：它們是從古老的祖先物種中遺傳而來，還是各自獨立進化？

科研人員發現，是物競天擇的獨立進化事件。“也就是説，未來還可能發現具有稻殼素的其他植物。”樊龍江説。

稗草是惡性雜草，競爭力強，不防治，稻田就是它的天下。

既然水稻和其重要對手稗草，都具有殺傷性的稻殼素？那麼兩者競爭孰強孰弱，為什麼水稻還會敗下陣來？

樊龍江團隊早前的研究已經揭示，稗草還有一種秘密生化武器——丁布。目前科研人員正在篩選對丁布不敏感，但又能產生大量稻殼素的水稻品種，這將對未來綠色育種產生積極影響。“植物合成大量次生代謝產物，我們的研究對於認識這些物質合成和進化機制具有意義，應該會有廣泛影響。”他説。

該研究得到國家和浙江省自然科學基金資助。

相關論文信息：https://www.pnas.org/content/early/2020/05/13/1914373117