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Science Bulletin | 种康院士专家评介:水稻非生物胁迫韧性模块挖掘与分子设计

近日,中国科学院植物研究所种康院士团队在Science Bulletin发表了题为“Exploring Abiotic Stress Resilience Module for Molecular Design in Rice”的专家评介文章。文章以全球气候变化对粮食安全的挑战为背景,探讨了通过分子设计育种提升水稻的非生物胁迫韧性的策略,为应对环境胁迫提供重要的科学依据。结合该团队近年来的研究成果以及国内外最新的研究进展,文章重点概述了植物对非生物胁迫,特别是温度和盐胁迫的感知、信号传导及代谢调控机制,深入探讨了植物在逆境环境下生长与防御的协调平衡机制,并展望了通过分子设计培育具备胁迫韧性的水稻品种的应用前景。

全球气候变化引起的极端温度、干旱、盐碱等非生物胁迫严重威胁全球粮食生产,而基于分子信号网络的研究是实现分子设计育种的关键途径。以水稻低温信号为例,植物细胞通过细胞膜上的低温感受器(如COLD1和COLD6)感知外界信号,触发Ca2+、2’,3’-cAMP等第二信使途径,并通过复杂的信号传导网络激发下游适应性响应,包括抗性基因表达、代谢调控、DNA修复等过程。种康院士团队在前期与钱前院士团队合作中,通过分子模块耦合培育出包含COLD1模块的耐寒品种“嘉禾优7号”。文章结合动物细胞中温度受体的研究,提出了植物温度感受器的定义标准,并提出多种胁迫信号的感知和协同调控机制是未来研究的重要方向。此外,文章概述了植物细胞壁在感知和传递环境信号、协调生长与胁迫反应中的关键作用。例如,COG2通过调控果胶含量提升水稻对低温的耐受性,LRX蛋白调控盐胁迫下细胞壁的完整性等。同时,细胞壁中的分泌小肽和小分子在非生物胁迫感知中发挥重要作用,这一研究方向具有重要的潜力。
代谢调控对平衡生长发育和防御反应同样发挥着关键作用,文章总结了二者之间的复杂微妙的平衡调控关系。在极端环境下,植物优先启动防御反应以提升生存几率,同时会抑制生长。例如,水稻中的OsMADS57在正常条件下激活D14表达以促进分蘖,而在低温下激活抗寒基因OsWRKY94的表达,增强抗寒性并抑制分蘖,这种资源分配的权衡机制反映了植物对环境的适应策略。如何通过分子设计精准调控信号网络、提高水稻抗逆能力,同时维持正常的生长发育并保障产量,已成为分子设计育种中的核心挑战。
最后,文章展望了未来分子设计育种的前景。分子设计育种从表型切入,结合基因组学、转录组学、代谢组学、表型组学和合成生物学等技术,强调自然变异群体在遗传多样性方面的重要性,重视从表型中挖掘分子模块,推动了研究范式从反向遗传学转向正向遗传学的转变。表型组学技术的发展为实现非损伤、实时监测植物在不同生长阶段的环境胁迫和生长表型提供重要支撑,有效捕捉传统方法可能忽视的细微表型差异。基于在不同胁迫下的表型、基因型等大数据,以及人工智能驱动的数据模型,能够更精准地预测不同分子模块在多重环境胁迫条件下的表现,从而实现分子模块的精准耦合设计与调控。此外,利用野生稻独特的遗传资源进行从头驯化,以及基因编辑技术和合成生物学,为培育高抗逆、高产的水稻品种提供了关键策略。本观点文章为水稻在平衡生长和非生物胁迫的分子机制提供了理论支持,并指明未来分子模块设计育种的方向,为相关领域的研究提供新的思路和启发。
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图1 水稻生长与非生物胁迫平衡的调控机制及在分子设计育种的应用


中国科学院植物研究所郭晓玉副研究员为第一作者,种康院士为通讯作者。


文章信息

Guo Xiaoyu, Luo Wei,  Chong Kang. Exploring abiotic stress resilience module for molecular design in rice. Science Bulletin, 2024

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.11.041.


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