田间头号杂草——稗草的“秘密武器”找到了

“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科柏连阳研究员。

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（InternationalWeed 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。

比尔盖茨基金自2008年以来一直资助多个科学机构开展C4水稻育种研究。水稻为C3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Lolium perenne
杂草稻Oryza sativa f.spontanea；看麦娘Alopecurus myosuroides；二穗短柄草Brachypodium distachyon；
反枝苋Amaranthus retroflexus；豚草Ambrosia artemisiifolia；扫帚苗Kochia scoparia；小飞蓬Conyza Canadensis

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