在全球气候变化加剧的背景下,洪涝灾害发生的频率和强度不断增加,淹水胁迫已成为威胁水稻生产和粮食安全的重要环境因素。水稻虽然属于半水生作物,具有一定的耐淹能力,但不同基因型及不同生育阶段对淹水的响应和适应能力存在显著差异。淹水不仅会导致水稻组织缺氧甚至无氧,抑制正常的呼吸代谢和光合作用,还会引起能量供应不足、活性氧积累、细胞氧化损伤以及生长发育受阻,最终造成产量和品质下降。因此,系统解析水稻从淹水感知、形态适应到生理代谢和分子调控的完整响应机制,对于耐淹种质挖掘和耐淹水稻新品种培育具有重要意义。

9月30日,Antioxidants(JCR Q1,IF: 8.2)发表了水稻种质创新与应用基因组学创新团队的综述论文,题为“Submergence Response and Tolerance of Rice: Morphological and Physiological Strategies, and Regulatory Mechanisms”。该综述系统总结了近年来水稻淹水响应与耐淹研究的重要进展,从水稻生长发育受淹水胁迫的影响出发,围绕形态与结构适应、能量代谢重编程、活性氧稳态、植物激素调控、关键基因调控网络以及耐淹种质和分子育种等方面,对水稻耐淹响应机制进行了全面梳理,并进一步提出了未来耐淹水稻研究和遗传改良的重要方向。

尽管Sub1A-1、SK1/SK2等关键基因已经得到深入研究,但水稻淹水响应过程中仍存在大量尚未解析的关键调控因子,不同代谢、激素和信号通路之间的相互作用关系也仍不完全清楚。同时,耐淹机制研究最终需要落实到优异种质资源和新品种培育。虽然目前已经从大量水稻种质资源中筛选出具有较强耐淹能力的材料,并通过分子标记辅助选择等技术,将Sub1A-1成功导入Swarna、Samba Mahsuri和IR64等主栽品种,形成Swarna-Sub1、SambaMahsuri-Sub1和IR64-Sub1等耐淹材料。但是,目前可直接用于遗传改良的耐淹优异等位基因和分子标记资源仍相对有限。将不同生育阶段的耐淹相关优异等位基因进行聚合,有望进一步提高水稻整个生育周期的淹水适应能力。
未来,随着单细胞测序、空间转录组、多组学整合以及人工智能辅助数据挖掘等新技术的发展,将有望进一步解析水稻淹水响应的细胞类型特异性、时空动态调控网络及不同通路之间的层级关系。同时,CRISPR/Cas9等基因编辑技术的发展,也为精准调控关键耐淹基因表达、导入有利调控元件以及创制优异等位变异提供了新的技术手段。
我校生物育种安徽省实验室、水稻种质创新与应用基因组学创新团队带头人二级教授黄先忠,中国农业科学院生物技术研究所刘源博士为共同通讯作者。我校冯婷婷讲师、硕士研究生刘盛钦为论文共同第一作者。安徽信福乡田生态农业有限公司周爱峰高级农艺师参与了论文研究与撰写。本研究得到我校作物学高峰学科建设经费、安徽省教育厅优秀科研创新团队等项目资助。(特约通讯员:薛晶晶 审核:黄先忠 唐仁生 编辑:李锦)