• 推荐阶段
  • 初评入围
  • 成果展现
  • 网络投票
  • 结果公布

项目名称:稻田杂草-水稻竞争与协同进化分子机制

 申报单位:农业与生物技术学院   人:樊龙江

项目简介

字体:大一号   小一号

水稻是我国最主要粮食作物,目前生产中存在一些严重问题:一是除草剂用量越来越大,严重污染环境和增加农民生产成本。目前急需绿色控草,有机生产稻米;二是杂草稻等新型杂草近年大面积爆发,来源不明,无法控制;三是水稻育种技术急需突破,农民需要更加高产和优质的水稻品种。上述问题严重制约了我国水稻产量和质量提升。

本项目主要创新点:

1、首次明确我国杂草稻(俗称“鬼稻”)均来自栽培稻群体。栽培稻在平衡选择等遗传机制作用下发生了去驯化过程,产生杂草类型稻种。提出减少田间收获遗留、增加育苗移栽等控草措施。应邀为浙江省政府提供杂草稻调研和建议报告。

2、发现稻田稗草与水稻竞争分子机制,为稗草防控和水稻育种提供了重要遗传基础。稻田稗草通过基因簇合成防御性代谢产物丁布和稻壳素,进化出P450和GST超大基因家族等,与水稻进行竞争和获得除草剂非靶标抗性等。基于本研究结果,通过水稻育种可以明显提高水稻品种抑草能力,预期减少30-50%除草剂用量;稗草为C4植物,株型和生境与水稻一致,为C4水稻育种提供了绝佳C4途径模型。C4水稻育种预期可以提供水稻产量50%。

标志性成果:

作为通讯作者发表两篇《Nature Communications》论文:

Qiu et al. 2017. Genomic variation associated with local adaptation of weedy rice during de-domestication. Nature Communications, 15323, 10.1038/ncomms15323

Guo et al. 2017. Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed. Nature Communications, 1031, 10.1038/s41467-017-01067-5

本项目意义:

为增强水稻自身抑草能力,即高抑草水稻品种(所谓化感稻)和C4水稻育种选育指明了方向;为我国防控杂草稻提出理论指导和具体措施。

学术界和媒体报道:

本项目工作受到到学术界和媒体的广泛关注。其中一篇论文获得国际“Faculty of 1000”(F1000)推荐。推荐人给出2星评价(表示“Very good”),认为该研究对稻田稗草的极端竞争力给出了很好诠释。《人民日报》、《China Daily》、《科技日报》(头版)、《科学时报》、《环球科学》、《钱江晚报》(头版)等纸质媒体;央视网、新华网、科学网、搜狐网等知名网络媒体进行了广泛报道。入选浙江大学“科学封面”(第10期,2017年10月27日)。

4
转发

科学解读

字体:大一号   小一号

“稻田水浅,江湖水深。”走在秋天的田埂上,浙大农学院的樊龙江教授发出感叹。他左边的稻田稻穗金黄饱满,而右边则是一番惨象,零星的水稻被杂草强势围攻,难觅踪影。为了搞清楚这场“江湖”之争,樊龙江团队对田间头号杂草——稗草进行了全基因组测序和水稻化感互作实验,找到了稗草与水稻相争的“秘密武器”,并对水稻育种指出了一种新的基因资源。

10月18日,相关研究论文Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed(www.nature.com/articles/s41467-017-01067-5)在Nature Communications在线发表。该研究前后历时6年,共有来自5个国家16个研究团队参与研究。中国水稻所郭龙彪研究员和浙大邱杰博士为论文共同第一作者,通讯作者为樊龙江教授和湖南省农科院柏连阳研究员。

发现“秘密武器”

我国农田中,稗草居15种危害严重的杂草之首。目前来说,防范这种杂草必须依靠喷施化学除草剂。

稗草和水稻亲缘关系不算近,相比之下,它与玉米和小麦关系更近。但不知从什么时候起,稗草却和水稻伴生在一起了,而且在外形、生长期和营养的需求,与水稻越来越接近,麻烦也越来越大。今年3月,美国科学家牵头国际杂草基因组协作组织(International Weed Genome Consortium, IWGC)组织第一次会议,来自七大洲的科学家确定了10个最优先需要开展基因组测序的单双子叶杂草清单,稗草位列Ten Most Wanted之首。 

图:IWGC确定的10个优先开展基因组研究的单双子叶杂草(名单后附),其中稗草是重中之重的“通缉”对象(引自Karl Ravet)

樊龙江是作物科学研究所的专家,为了弄清通缉犯的套路,他决定变成“卧底”去探探。他希望通过基因组测序,在植物间寻找化感作用的相关线索。

植物化感作用简单的说就是植物的“化学武器”。生长过程中,植物会向环境释放特定的防御性化学物质,从而影响邻近植物生长。这种“化学武器”因为是内源性的,生态友好,所以在农业生产中被广泛用来杂草防控。之前研究的研究显示,水稻自身会分泌一种稻壳素,帮助其与稻田杂草(如稗草)竞争。

樊龙江团队通过基因组研究发现,稗草能分泌一种叫丁布的次生代谢产物,可以明显抑制水稻生长。他们在基因组研究中找到了能合成丁布的三个基因簇。在与水稻混种时,该基因簇会快速启动“制造”丁布。樊龙江说,丁布是稗草独有的秘密武器,而水稻没有。并且,水稻的“杀手锏”稻壳素,稗草也能合成。

因此,不倚仗除草剂的威力,水稻绝对“斗”不过稗草。

稗草“逆袭”

探清稗草“家底”,樊龙江又从“卧底”还原成作物学家,从水稻育种的角度想到了一件事。

盖茨基金会自2008年以来一直资助多个科学机构开展C4(碳4)水稻育种研究。水稻为C3(碳3)植物,而玉米、高粱等作物为C4作物。C4植物的光合效率要高出很多。科学家们一直希望能创制出C4水稻品种,从而提高水稻产量。

樊龙江说,可以利用稗草基因资源为水稻育种服务。稗草是典型的C4植物,与水稻有着相同的生境和株型,对于C4水稻育种来说是非常理想的模式植物和C4途径基因供体。“比如,我们可以先把稗草C4途径关键基因一个个导入水稻中,通过杂交方式将基因聚合,来看看这样聚合的水稻光合效率是否会提高,水稻的产量是否会明显提高?”相关的实验正在进展中,樊龙江说:“我希望稗草能‘逆袭’成功,成为水稻育种家门的掌上明珠。”

附:10种田间杂草中文名和拉丁文名

稗草Echinochola crus-galli;假高粱Sorghum halepense;黑麦草Loliumperenne;杂草稻Oryza sativa f.spontanea;看麦娘Alopecurusmyosuroides;二穗短柄草Brachypodiumdistachyon;反枝苋Amaranthus retroflexus;豚草Ambrosia artemisiifolia;扫帚苗Kochiascoparia;小飞蓬Conyza Canadensis。

 

转发

项目团队

字体:大一号   小一号

项目负责人:

农业与生物技术学院 樊龙江教授

浙江大学作物科学研究所教授,作物遗传育种专业博导,生物信息学与数量遗传方向负责人,浙江大学中美作物分子育种联合实验室副主任;生物信息学研究所教授,生物信息学专业博士生导师,副所长,浙江省生物信息学会副理事长。教育部新世纪优秀人才,德国DAAD访问学者。主要研究领域为农作物基因组

非编码RNA表观遗传及其生物信息方法,主要围绕水稻遗传育种开展研究,包括育种选择、水稻-杂草互作竞争分子和进化机制等研究。取得的成绩主要包括:(一)、作为通讯作者,近5年(2012-2017)发表高影响因子(IF>5.0)SCI论文12篇,其中《Nature Communications》2篇、《New Phytologist》3篇、《Plant Physiology》1篇、《Molecular Plant》1篇、《Plant Journal》2篇、《Bioinformatics》1篇。12篇论文平均影响因子8.12,其中《Nature Communications》1篇论文被国际公认学术评价平台F1000推荐;主编《生物信息学》教材一本,主编《作物科学方法》等专著2本。承担浙江大学研究生和本科生的《生物信息学》和《植物基因组学》教学任务,受到学生欢迎和喜爱;(三)近5年主持国家自然科学基金重大研究项目(培育项目)2项,国家973项目子课题3项,国家863子课题1项,国家基金面上1项,重大横向项目2项,浙江省基金重点项目1项。

研究团队:

项目负责人课题组成员:叶楚玉副教授、陈曦讲师、邱杰助理研究员

参与该研究合作团队:

本研究历时多年,共有来自5个国家近20个研究团队参与研究。

校内团队:舒庆饶教授(作物科学所)、娄永根教授(昆虫研究所)、章初龙教授(生物技术研究所)

国内团队:郭龙彪研究员、陆永良研究员(中国水稻所)、葛颂研究员(中科院植物所)、孔垂华教授(中国农业大学)、柏连阳研究员(湖南农科院)

国外团队:美国弗吉尼亚大学Michael Timko 教授、日本东京农大Yamaguchi教授等、东京大学Okada等、韩国首尔大学Kim DS教授、德国基尔大学蔡大广教授等。
 

转发

互动评论

点击通过统一身份认证登录。

字体:大一号   小一号

  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    2
    评论内容:学院老师!支持支持!
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-19
    1
    评论内容:国以农为本,民以食为天。
  • 评论人:匿名 评论时间:2018-04-17
    4
    评论内容:这个看起来很棒!