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近日，中國科學院合肥物質院智能所吳躍進課題組在水稻抗草銨膦基因發掘和功能研究方面取得突破性進展。團隊利用重離子輻照獲得對草銨膦具有耐受性的水稻突變種質，克隆草銨膦抗性新基因，并對其基因功能進行了深入解析。相關研究成果發表在植物分子生物學領域Top期刊Plant Biotechnology Journal上。
水稻是世界上最重要的糧食作物之一，養活了全球一半以上的人口。其中直播稻輕簡栽培模式因其省時省力節約成本的優勢，而得到廣泛推廣，但是草害卻嚴重影響著直播稻的生產與產量，因此水稻抗除草劑種質資源的選育和研究對有效治理雜草和推進現代農業發展具有重要意義。草銨膦因其非選擇性、廣譜、高效的除草效果和人畜無毒、環境友好的特性，在農業生產中得到廣泛應用。但目前在水稻中還未有關于抗草銨膦內源基因的報道。因而，水稻抗草銨膦種質創建以及基因發掘和育種，應用對未來現代化農業發展具有十分重要的作用。
科研團隊深入開展重離子束誘變抗草銨膦突變基因克隆和功能以及抗性機制研究。在大田篩選中獲得了具有草銨膦抗性的水稻突變體glr1和glr2，圍繞glr1突變體及控制基因，已申請專利并獲得授權，研究顯示，突變體glr1與野生型相比具有顯著的草銨膦耐受性（圖1）。經過進一步圖位克隆和功能解析，科研人員發現了GLR1基因編碼生長素應答因子ARF家族中的ARF18。GLR1/ARF18可以直接結合下游基因OsGS1, OsCYP51G3 和 OsCATA的啟動子并抑制其表達。草銨膦除草劑處理水稻時，GLR1基因受到誘導上調，從而抑制下游靶基因的表達，導致產生的活性氧以及氨積累得不到及時清除和代謝，最終導致植株死亡。而GLR1基因突變后，下游靶基因表達抑制得到解除，從而加速清除由草銨膦引起的過量的活性氧和氨的積累，使突變體glr1在草銨膦處理后快速恢復生長，具有很好的草銨膦耐受性（圖2）。活性氧增加是植物對遭遇逆境的響應，鑒于GLR1/ARF18在活性氧清除方面的作用，推測GLR1基因突變對非生物脅迫具有廣譜的耐逆性，進一步進行鹽處理和草甘膦除草劑處理發現，glr1突變體具有明顯的耐鹽和抗草甘膦除草劑效果。因此本研究成果一方面體現了GLR1基因在水稻抗草銨膦種質資源利用方面巨大的應用價值，填補了水稻抗草銨膦內源基因研究的空白；另一方面，通過對GLR1基因在草銨膦抗性機制研究揭示GLR1基因在水稻非生物脅迫的廣譜抗逆性具有明顯效果，對適應逆境生長條件下水稻新品種的培育提供基因資源和理論基礎。
該研究得到國家自然科學基金、中國科學院青促會、安徽省自然科學基金、合肥物質院院長基金等項目的支持。為了加快GLR1基因在育種中應用，種質資源專利以及相關成果已經轉化上海中科荃銀分子育種技術有限公司。博士生任艷和劉斌美研究員為論文的共同第一作者，葉亞峰副研究員、中國科學院遺傳所傅向東研究員和吳躍進研究員為共同通訊作者。
圖1 抗草銨膦水稻突變體大田篩選及驗證
圖2 GLR1調控草銨膦抗性的工作模式圖
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