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生科院方中明团队在水稻分蘖调控和高产研究中取得重要进展

发布日期:2018-3-4 浏览次数:1498


  本网讯(通讯员 杨学领)近日,植物科学国际顶尖期刊Plant Biotechnology Journal(影响因子7.442)在线发表了我校生命科学与技术学院方中明团队题为“Blocking Amino acid transporter OsAAP3 improves grain yield by promoting outgrowth buds and increasing tiller number in rice”(doi: 10.1111/pbi.12907)的研究论文。该论文全面解析了有机氮营养中各种氨基酸如何调控水稻分蘖和株型发育,并为通过基因编辑技术进行水稻分子育种提供了重要的实践依据。
  
  氨基酸是植物体内最重要的营养物质之一,而氨基酸转运基因在植物生长发育中起重要的营养运输作用。该研究结果表明,降低氨基酸转运基因OsAAP3的表达,能够通过促进分蘖芽伸长增加水稻分蘖,并提高水稻产量。提高基因表达能够导致水稻体内Lys、Arg、His、Asp、Ala、Gln、Gly、Thr和Tyr等氨基酸浓度提高,并抑制水稻分蘖芽伸长和分蘖数增加。而基因降低表达导致Arg、Lys、Asp和Thr等氨基酸浓度较低,不仅促进分蘖芽伸长,增加水稻分蘖数和单株有效穗,还可以明显增加水稻产量和氮利用效率。更为重要的发现是,OsAAP3基因启动子序列在粳稻和籼稻中存在SNP自然变异,基因表达量跟分蘖数呈现负相关,在粳稻中基因表达量较高,可能由此限制了粳稻产量的提高。利用基因编辑技术在模式品种粳稻ZH11和中国面积最大的粳稻品种KY131中敲除基因,可以明显增加水稻产量和氮利用效率。研究结果不仅揭示了氨基酸在水稻株型调控中具有重要作用,且为品质较高但产量较低的水稻粳稻品种中同时实现“施肥下降、产量提高、品质不变和无转基因标记”这一水稻分子育种目标提供了有效途径。 
  
  该研究历时四年(2014-2017年),我校为完成论文的第一单位,生科院教师吕凯博士和生科院大三本科生吴博文为论文的共同第一作者,方中明副教授为论文的独立通讯作者。鉴于基因编辑敲除OsAAP3基因在水稻产量提高和氮利用率改善上的重要作用,已于2016年申请了该基因的国家发明专利(专利号:2016109372615)。该研究得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金和水稻国家重点实验室开放课题等的共同资助。

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图1 OsAAP3基因提高表达抑制分蘖,降低粳稻产量;OsAAP3基因降低表达促进分蘖,增加粳稻产量。

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图2 OsAAP3主要通过Lys和Arg等氨基酸运输抑制分蘖芽伸长调控水稻分蘖

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图3 OsAAP3基因通过影响氨基酸浓度调控分蘖芽伸长和水稻分蘖的模式图