专家点评Nature Commun | 我国科学家发现旱稻抗旱新基因

点评 | 钱前 院士

责编 | 王一

干旱是制约农业生产的主要因素之一，作为我国的主粮作物，水稻种植灌溉用水占农业总用水量的70%以上，极不利于我国农业的可持续发展。实际上，稻属作物在长期演化过程中，由于地理环境的差异和生产种植方式的多样化，形成了两种不同的生态类型：水稻（lowland rice）和旱稻（upland rice）。水稻种植的整个生长周期基本上需要淹水环境；而旱稻主要种植于干旱、半干旱的通透性土壤中，与水稻相比，整个生长周期可节约80%以上的灌溉用水。因此，发掘旱稻的优异抗旱基因，对于稻作抗旱分子育种具有重要意义。目前，对水、旱稻分化的遗传基础仍然缺乏深入理解，利用旱稻这一抗旱生态资源发掘的抗旱基因还很少，限制了稻作抗旱分子育种的进程。

近日，中国农业大学农学院李自超教授团队在国际知名综合学术期刊Nature Communications在线发表了题为Natural variation of DROT1 confers drought adaptation in upland rice的研究论文。该研究利用稻种资源和水、旱稻遗传群体克隆了一个新的抗旱基因DROT1，阐明了其抗旱的分子机理和调控通路，鉴定出DROT1的抗旱优异基因型并揭示了其起源与演化规律。

该研究对271份水、旱稻种质资源进行大田干旱环境下的苗期表型鉴定，利用GWAS定位抗旱遗传位点，并结合旱稻导入系抗旱表型，以及水、旱稻转录组分析，确定了一个抗旱候选基因，命名为DROUGHT1(DROT1)。通过转基因功能验证，发现敲除DROT1能够显著降低水稻植株抗旱性，而超表达DROT1可以显著增强水稻抗旱性。在大田中度干旱胁迫条件下，超表达DROT1的植株生物量显著增加，而敲除植株的生物量和产量均显著降低。这意味着DROT1的抗旱性能够在大田干旱环境下得以体现。

大田环境下DROT1增强水稻的抗旱性

通过GUS染色和激光微切割分离组织进行表达分析，证明DROT1主要在维管组织中表达。亚细胞定位显示DROT1蛋白主要定位于细胞壁。对转基因材料叶片组织中纤维素、半纤维素和木质素通过化学方法测定，同时对转基因材料叶片进行切片，并利用中远红外光谱显微成像原位标定三素含量。两种方法均发现只有在干旱环境下，纤维素的含量在DROT1超表达材料中显著增加，而在DROT1敲除材料中显著降低。利用X射线小角衍射对转基因材料的纤维素结晶度进行分析，发现超表达DROT1可以显著提高纤维素结晶度，而敲除DROT1可以显著降低纤维素结晶度。以上结果表明DROT1是通过调控维管组织细胞壁中纤维素的含量和晶体结构来提高抗旱性。

DROT1 的表达模式和亚细胞定位

分子生物学研究发现，DROT1受到两个转录因子ERF3和ERF71的直接调控，建立了抗旱与生长发育之间平衡的ERFs-DROT1调控机制。通过单倍型分析，鉴定到了DROT1的优异抗旱单倍型，该单倍型主要存在于旱稻中，启动子区域的关键SNP变异赋予DROT1更高表达量，进而增强抗旱性。

ERFs-DROT1调控抗旱与生长发育平衡

中国农业大学农学院/三亚中国农业大学研究院李自超教授为通讯作者，中国农业大学博士后孙兴明、熊海燕为本论文第一作者。中国农业大学农学院朱万斌教授、植物保护学院彭友良教授、工学院韩鲁佳教授、杨增玲教授，中国科学院遗传与发育研究所周奕华研究员等对研究工作进行了指导和帮助。该研究得到了科技部重点研发项目、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、三亚研究院引导资金项目和海南崖州湾种子实验室揭榜挂帅项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31844-w

专家点评

钱前（中国科学院 院士）

干旱是全球农业生产面临的最大问题，随着人口增长和气候变化，干旱造成的威胁日益加剧。我国是全球13个水资源贫乏国家之一，人均水资源占有量仅是世界平均水平的1/4，而且全国水资源分布也不平衡，这些因素限制了农业的可持续发展，严重影响了我国的粮食安全。旱稻具有较强抗旱性，蕴藏着优异抗旱基因，而且水、旱稻基因组存在一定程度的遗传分化，是研究稻作乃至禾本科植物抗旱的理想材料。然而，截至目前，已克隆的水稻抗旱基因有200多个，但真正表现出田间抗旱能力的基因很少，而且从旱稻克隆的、可以被育种利用的抗旱基因更少。

本研究以水、旱稻种质资源为研究材料，开展田间干旱环境下的表型评价，利用全基因组关联分析，结合旱稻导入系的抗旱评价及其转录组等多种数据的综合鉴定，定位到了一个重要抗旱位点，并克隆了关键的抗旱基因DROT1。作者通过对转基因材料在不同干旱环境下的抗旱表型鉴定，充分验证了该基因的抗旱功能。令人惊喜的是，在大田中度干旱环境下，超表达该基因可提高水稻生物量，表现出一定的育种增产潜力。通过细胞生物学和组织学等方法，明确了该基因通过提高细胞壁中纤维素含量和结晶度来增强抗旱性。DROT1受到2个ERF家族转录因子ERF71和ERF3的直接调控，在干旱条件下，这一调控机制有助于水稻平衡抗旱性和生长发育过程。通过数百份稻种资源的DROT1单倍型分析，鉴定出了抗旱优异基因型，这一关键成果为稻作抗旱分子育种提供优异基因资源。该基因已经获得国家发明专利，并被农业部认定为具有重大育种价值基因，通过第三方评估，其技术价值为108.01亿元。同时，该基因也已获得美国发明专利。

本研究不仅从遗传学、分子生物学、细胞学和群体遗传学等多种角度揭示了旱稻抗旱的遗传与分子机制，更突破了正向遗传学克隆抗旱基因难度大的瓶颈。研究成果无论对于植物抗旱的分子及生理机制，还是抗旱基因的分子育种利用，都具有重要借鉴意义，为抗旱这一复杂性状研究提供了新的思路和见解。