生命科学学院欧阳鑫昊副教授团队在Nature Food发文,建立作物纬度适应性预测方法

发表时间:2021-05-27浏览次数:10

       随着全球气候变化,各种作物趋向往温度适宜的高纬度扩张。同时,中低纬度地区,需要利用耐热、耐旱、耐涝等种质资源进行品种改良,以减少气候变化带来的负面影响,确保产量。此外,全球变暖延长了不同纬度夏季作物的生长季节,重新调整现有作物的轮作方式,有利于实现产量最大化。这些过程都亟需对作物进行纬度适应性改良。作物的纬度适应性是指在特定的生态环境,作物全生育期与该生态区作物生长季节保持一致,从而实现产量的最大化。作物的纬度适应性对于品种选育与引种、杂交种制种与产量都极为重要。传统育种中,育种家通过调整生育期,改良作物纬度适应性。作物的感光性(光周期开花)是生育期调控的决定性因素。

我校生命科学学院欧阳鑫昊副教授团队近年来对水稻感光性的遗传网络进行了深入的研究,并取得了一系列进展。其中,2017年,该团队报道了水稻感光性关键分子模块DTH8-Hd1在光周期网络中的重要功能(Du et al., Molecular Plant, 2017)。随后几年,全球多个研究团队共同揭示了光周期核心分子模块DTH8-Hd1-Ghd7-DTH7调控水稻感光性的重要作用。但是,由于传统育种实施周期长,具有地域局限性,难以快速、准确地测量水稻感光性。因此,即使我们知道水稻感光性的核心分子模块,依然无法通过精准的分子设计实现对现有品种的纬度适应性快速改良。

近期,欧阳鑫昊副教授团队在Nature子刊Nature Food在线发表了题为Forecasting rice latitude adaptation through a daylength-sensing-based environment adaptation simulator的研究论文,建立作物纬度适应性预测方法。

该研究利用多间全人工光的智能气候室建立基于日长识别系统的纬度适应性模拟器,通过在模拟器中收集水稻幼苗的成花素表达数据,鉴定水稻昼夜长度(日长)识别方式,从而利用日长识别方式实现水稻感光性的定量描述。进一步,该团队利用纬度适应性模拟器建立基因型与日长识别方式的内在联系(图1),并发现水稻感光性核心基因DTH8Hd1Ghd7DTH7的变异可以改变水稻日长识别方式。

1. 基因型与日长识别方式的内在联系

DTH8Hd1Ghd7DTH7都具有功能时,水稻可以识别临界日长阈值来感知昼夜长度变化。识别临界日长阈值(强感光性)的品种在育种中往往不具有广适应性。然而,分别突变DTH8Hd1Ghd7DTH7能够打破水稻对原始临界日长阈值的识别,使不同水稻品种或材料产生丰富而多样化的日长识别方式来适应不同的纬度(图2)。例如,高纬度的粳稻品种携带ghd7无功能等位, 可以将水稻临界日长识别转变为渐变日长识别并弱化感光性,从而促进这些品种在高纬度地区早抽穗,避开秋季低温实现高产。

2. 日长识别方式与纬度适应的内在联系

杂交籼稻品种中,三系杂交稻主要利用了dth8无功能等位基因来改变日长识别方式弱化感光性,增强杂交品种的纬度适应;两系杂交稻利用了hd1无功能等位基因来改变日长识别方式弱化感光性,增强杂交品种的纬度适应。值得一提的是,该团队证实纬度适应性模拟器也可以用于玉米和大豆等作物的日长识别鉴定,为该模拟器后续在其他作物中的应用提供了思路。

作物纬度适应性模拟器建立了基因型、日长识别与纬度适应的内在联系,作为一种快速、普适的作物纬度适应性预测模型和品种改良决策系统对于加速作物纬度适应性改良应对全球气候变化下的粮食安全和农业可持续发展至关重要。

生命科学学院博士研究生邱蕾蕾、吴芹芹、王笑颖、韩久盼为共同第一作者,欧阳鑫昊副教授为文章的通讯作者。四川农业大学水稻研究所李仕贵教授、我校生命科学学院黄烯教授、中国农业大学农学院王向峰教授等也参与了该项工作。同时,该研究还得到了全国多家研究机构的大力支持和帮助。此工作由国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和厦门大学校长基金资助完成。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s43016-021-00280-2

(图/文 欧阳鑫昊课题组)