Molecular Plant | 农学院水稻研究中心在旱稻抗旱遗传机制解析中取得重要进展

近日，中国农业大学水稻研究中心李自超/李金杰教授团队在《分子植物》（Molecular Plant）上正式发表了题为“The OsNAC41-RoLe1-OsAGAP module promotes root development and drought resistance in upland rice”的研究论文。该研究利用水、旱稻稻种资源通过全基因组关联分析（GWAS），挖掘到一个调控根系发育与抗旱性的新基因ROOT LENGTH 1 (RoLe1)，揭示了RoLe1通过OsNAC41-RoLe1-OsAGAP模块调节旱稻根系发育与抗旱性的分子机制。

随着全球人口的快速增长和水资源的日益短缺，干旱造成的产量损失对粮食安全构成了重大威胁。水稻和旱稻是在长期演化过程中，形成的两种不同生态类型。与水稻相比，旱稻主要种植于干旱、半干旱的通透性土壤中，可节约80%以上的灌溉用水。因此，利用水、旱稻种质资源挖掘具有重要育种利用价值的抗旱基因，深入解析其抗旱分子机制，对于抗旱分子育种至关重要。

该研究利用667份水稻种质资源的根长表型和243份水稻种质资源的抗旱指数进行全基因组关联分析，在1号染色体分别检测到两个重叠的QTLs： 根长QTL，qRL1-2和抗旱QTL，qDR1-1。结合两份典型的长根系旱稻材料（IRAT109和Haogelao）和两份短根系水稻材料（NIP和Yuefu）的转录组分析，挖掘了一个调控根系发育与抗旱性的新基因RoLe1，其编码蛋白包含一个NADPH依赖的FMN还原酶结构域。

研究人员发现，RoLe1过表达转基因株系的根长和抗旱性显著提高，田间中度干旱条件下，RoLe1过表达转基因株系的干生物量和产量相关性状（每穗粒数、结实率和单株产量）均显著增加，而敲除和RNAi转基因株系则显著降低，表明RoLe1正向调控水稻根系发育与抗旱性。

图1. RoLe1正向调控水稻根系的发育与抗旱性

研究发现，proRoLe1-526T为优异自然等位变异，其增加了OsNAC41与之结合并激活其转录的能力。进一步通过Y2H、BiFC、LCI、Co-IP和Pull-down等实验证明RoLe1与OsAGAP相互作用，而OsAGAP是一种参与生长素依赖性根系发育的ARF-GTP酶激活蛋白。LUC和蛋白稳定性实验结果证明RoLe1与OsAGAP互作干扰OsAGAP的功能，改变了根系中生长素的极性运输，导致生长素的内流率减低，进而调节根系发育，提高水稻的抗旱性。

图2. RoLe1与OsAGAP相互作用进而抑制生长素的内流

起源演化分析发现，proRoLe1-526T作为一个新的优异等位变异，在热带粳稻和旱稻中得以保留，主要分布于东南亚地区（干旱少雨的旱季）。育种潜力分析发现，含有proRoLe1-526T优异等位变异的种质资源具有长根系表型，其在热带粳稻和旱稻改良品种中已经被广泛利用。

图3. RoLe1的起源演化与育种潜力分析

该研究以干旱敏感的水稻品种Yuefu作为受体，导入旱稻IRAT109的RoLe1优异单倍型，在大田中度干旱条件下，近等基因系的抗旱性和单株产量显著提高。

图4. RoLe1近等基因系的抗旱性和单株产量显著提高

综上所述，该研究利用稻种资源，结合全基因组关联分析和转录组分析挖掘了一个调控根系发育与抗旱性的新基因RoLe1，其通过影响生长素的内流促进根系的发育，从而提高水稻的抗旱性。研究论文提出了利用稻种资源挖掘旱稻优异自然变异，为水稻抗旱分子育种提供了新思路。

中国农业大学水稻研究中心李金杰教授为论文通讯作者。中国农业大学博士研究生韩市陈为论文第一作者。中国农业大学李自超教授、张洪亮教授、张战营副教授和孙兴明副教授参与了该工作。研究工作还得到复旦大学罗小金教授的大力支持与帮助。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国海南省种业实验室和中国种子集团项目的资助。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.09.002