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科學家發現控制稻米高度基因 或助培植防洪農作物

2020/7/20 — 19:39

高度對植物很重要:例如矮稻可以承載更多米粒而不會因自身重量而彎曲,這亦是推動 1960 年代綠色革命的關鍵。不過,高大的植物較能抵抗長期洪水,尤其現在長江流域出現洪災,更突顯這些農作物的好處。上周刊於《自然》的研究發現了兩個基因,可以共同控制水稻的高度:一個可以加速莖的延長,另一個則有「煞制」作用。團隊指,如果該系統與其他植物相似,則可能對多種農作物的培植有重要作用。

在 20 世紀中期,農夫通常選擇短莖的小麥和水稻品種種植,因為牠們會將更多的資源用於生出穀物,在大風或雨天倒下的可能性亦較低。生物學家後來發現,這些品種在發育的時候產生較少的荷爾蒙赤霉酸 (gibberellic acid, GA),又或者不能對延長莖部的訊號作出反應。這些突變的副作用可能包括年輕植物,有時在乾旱多發地區過早萌芽從地面長出。

名古屋大學植物分子遺傳學家芦苅基行的團隊一直在研究能通過長得更高,而生存在經常出現洪水地區的「深水稻米」品種,這品種有需要的話可每天生長 25 厘米,並主要分佈於東南亞三角洲地區,季節性的洪水水位可達 1 米甚至更高,而團隊過去的研究發現當稻米被淹時,其組織會累積乙烯 (ethylene) 氣體,並觸發 GA 的產生,因此團隊想知道 GA 如何誘導深水稻火如何快速長出莖部。

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團隊將深水稻米的 DNA 與另一種只能在淺水生長的稻米 DNA 進行比較,並發現兩個關鍵基因,分別命名為ACE1 和 DEC1 ,前者為節點延伸加速器後者則為減速器。溫室實驗證明了當深水稻米被水覆蓋時 ACE1 會打開,刺激其莖中的細胞分裂並幫助稻米生長,但典型的淺水品種在 ACE1 中出現突變,被水淹沒後並無幫助延展其莖部。

在其他實驗中,團隊顯示 DEC1 能抑制莖部生長,而 DEC1 在淺水品種中活躍,當這些稻米被洪水淹沒時, DEC1 仍然活躍阻止莖的生長。相反,當深水稻米遭洪水淹沒時, DEC1 停止表達,進一步允許莖的生長。

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無參與研究的列斯大學植物生物學家 Laura Dixon 指,如果分子生物學家或種植者可控制這兩個基因,或能在不改變 GA 水平的情況下調節植物高度,而且可能適用於水稻以外的農作物,容許 GA 繼續正常影響植物的其他部分。康奈爾大學水稻生物學家 Susan McCouch 也指這兩個新發現基因可像簡單的燈光開關來調節植物高度。

現時已知這兩個基因也存在於甘蔗、大麥和經過充分研究的二穗短柄草 (Brachypodium distachyon) 中。芦苅基行認為,該兩個基因也可能廣泛存在於其他重要的農作物中。粟米也有與 ACE1 相當的基因,但僅有與 DEC1 部分相似的「煞制」基因。

這些基因可能會幫助水稻農民改善可應對季節性洪水的低產品種,或者從更矮的稻米品種中培植出新稻米。如在其他農作物中也發現該兩個基因,甚至可以幫助在氣候變化頻繁的地區設計防洪農作物。

來源:
Science, New genes control plant height, could lead to flood-proof crops, 16 July 2020

報告:
Nagai, K., Mori, Y., Ishikawa, S. & et al. (2020). Antagonistic regulation of the gibberellic acid response during stem growth in rice. Nature. doi: 10.1038/s41586-020-2501-8

文/Alan Chiu

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