“少喝水”也能高产？华大等破译陆稻抗旱基因密码

读特客户端

读特在线，您的新闻观察眼

摘要

系统性地解析了陆稻根系适应干旱的分子机制，并鉴定出关键调控基因HMGB1

2005年，华大主导完成的水稻全基因组精细图以封面文章形式发表在PLoS Biology杂志上。在水稻全基因组精细图完成的20周年，华大又发表了一项与水稻相关的突破性成果。

近日，华大生命科学研究院联合华中农业大学利用华大自主研发的Stereo-seq时空组学技术，系统性地解析了陆稻根系适应干旱的分子机制，并鉴定出关键调控基因HMGB1，为作物抗旱遗传改良提供了新思路。成果发表于Molecular Plant。

论文成果截图

据介绍，陆稻是我国西南地区特有的水稻类型，在《齐民要术》中就有陆稻栽培的相关记载。与普通水稻相比，陆稻具备耐旱、耐贫瘠等优良特性，使得种植方式更为简便。这些优势很大程度上归功于其强健发达的根系，但目前针对陆稻根系分子机制的研究仍相对匮乏。

在本项研究中，团队挑选了16个遗传背景相近的水稻与陆稻品种，借助华中农业大学的表型组平台，系统性地研究了陆稻和水稻在生长过程中根系的表型变化。结果发现，相较于水稻，陆稻的根长较长、根茎较粗，尽管其冠根（禾本科植物特有的根系类型）数量较少，却表现出更强的抗旱性。这一“以质取胜”的适应性策略，提示其根系可能存在独特的分子调控机制。

陆稻根系的表型

针对这一表型差异，团队通过被称为“生命照相机”的Stereo-seq时空组学技术，成功构建了陆稻根系发育的动态基因表达图谱，重建了冠根原基的生长过程，揭示了陆稻胚芽鞘节的细胞类型及其分布。团队还采用类似方法重建了水稻和陆稻根生长过程中的根尖细胞分裂分化过程，发现水稻根的中柱和皮层细胞的纵向发育是协同调控的。

胚芽鞘节和根尖的空间转录组图谱

随后，研究团队将水稻和陆稻根系发育的基因进行了比较，发现多个已报道的决定冠根数目和根长度的差异基因，并确定了它们所属的细胞类型。同时，研究人员还发现陆稻根尖分生区的细胞与代谢和转录翻译活性显著高于水稻，而在分生区表达差异最显著的基因之一——HMGB1引起了研究团队的注意。团队通过遗传学实验证明，当在陆稻中高表达的转录调控因子HMGB1在水稻中被敲除后，水稻的根系变得更加强健，抗旱能力也显著增强。