走在秋天的田埂上,浙大农学院的樊龙江教授发出感叹。他左边的稻田稻穗金黄饱满,而右边则是一番惨象,零星的水稻被杂草强势围攻,难觅踪影。为了搞清楚这场“江湖”之争,樊龙江团队对田间头号杂草——稗草进行了全基因组测序和水稻化感互作实验,找到了稗草与水稻相争的“秘密武器”,并对水稻育种指出了一种新的基因资源。10月18日,相关研究论文在Nature Communications在线发表。
该研究前后历时6年,共有来自5个国家的16个研究团队参与研究。中国水稻所郭龙彪研究员和浙大邱杰博士为论文共同第一作者,通讯作者为樊龙江教授和湖南省农科院柏连阳研究员。我国农田中,稗草居15种危害严重的杂草之首。目前来说,防范这种杂草必须依靠喷施化学除草剂。稗草和水稻亲缘关系不算近,相比之下,它与玉米和小麦关系更近。
但不知从什么时候起,稗草却和水稻伴生在一起了,而且在外形、生长期和营养的需求上,它们与水稻越来越接近,麻烦也越来越大。今年3月,美国科学家牵头国际杂草基因组协作组织确定了10个最优先需要开展基因组测序的单双子叶杂草清单,稗草位列“Ten Most Wanted”之首。樊龙江团队通过基因组研究发现,稗草能分泌一种叫丁布的次生代谢产物,可以明显抑制水稻生长。
他们在基因组研究中找到了能合成丁布的三个基因簇。在与水稻混种时,该基因簇会快速启动“制造”丁布。樊龙江说,丁布是稗草独有的秘密武器,而水稻没有。并且,水稻的“杀手锏”稻壳素,稗草也能合成。因此,不倚仗除草剂的威力,水稻绝对“斗”不过稗草。探清稗草“家底”,樊龙江又从“卧底”还原成作物学家,从水稻育种的角度想到了一件事。比尔盖茨基金自2008年以来一直资助多个科学机构开展C4水稻育种研究。
水稻为C3植物,而玉米高粱等作物为C4作物。C4植物的光合效率要高出很多。科学家们一直希望能创制出C4水稻品种,从而提高水稻产量。樊龙江说,可以利用稗草基因资源为水稻育种服务。稗草是典型的C4植物,与水稻有着相同的生境和株型,对于C4水稻育种来说是非常理想的模式植物和C4途径基因供体。相关的实验正在进展中,樊龙江说:“我希望稗草能‘逆袭’成功,成为水稻育种家门的掌上明珠。”