抗旱性—产量“双向选择”进化在陆稻生态型适应旱作生境中的作用

水稻是最主要的粮食作物之一，对于保障粮食安全发挥了巨大的作用。但水稻生产需要消耗大量的淡水资源，易受干旱的影响，造成大规模减产，其主要原因是高产导向下培育的水稻品种的抗旱性较差。

近日，上海市农业生物基因中心罗利军课题组在Molecular Plant 杂志上在线发表了题为Bi-directional selection in upland rice leads to its adaptive differentiation from lowland rice on drought resistance and productivity 的研究论文，揭示了抗旱性—产量“双向选择”进化模式在陆稻生态型适应旱作生境中的作用。

根据丁颖（1957）提出的五级分类系统，水稻是基本型，而陆稻则是由水稻为适应环境（土壤水分条件）的变化而产生的变异型。然而，前期的研究表明，陆稻的遗传多样性比水稻丰富。


陆稻的原生境

立足于探索水陆稻的适应性分化和抗旱性进化，罗利军课题组收集了代表我国不同生产区的水陆稻传统地方品种，进行了系统的研究，取得以下重要进展：

1. 揭示水陆稻存在显著的遗传分化，而这种遗传分化主要是抗旱性的分化。

2. 发现栽培稻的抗旱性与产量之间存在广泛的 tradeoff，即陆稻抗旱性强但产量性状往往较差，两者呈负相关，其原因是由抗旱基因的“一因多效”或高产与抗旱基因之间的连锁所导致。这种 tradeoff 的遗传机制，广泛分布在栽培稻的基因组上，影响了抗旱性在陆稻中的进化。

3. 发现在水稻、陆稻适应性分化的区域，水稻中呈现定向（以产量为主）选择而在陆稻中呈现双向（兼顾抗旱和产量）选择。在陆稻的驯化过程中，有利抗旱的等位基因在干旱严重的世代受到选择，而有利于高产的等位基因在降雨充沛的世代受到选择，呈现出平衡选择效应。在这样的产量—抗旱性的双向选择下，较高的遗传多样性以及许多有利于干旱适应的基因资源就在陆稻中被保留了下来，与水稻形成适应性分化。这种人类驯化中的双向选择模式在作物中的报道目前并不多见，但却具有很重要的意义。节水抗旱稻正是借鉴并强化陆稻驯化中的抗旱—产量双向选择模式，聚合了陆稻的抗旱性与水稻高产优质特性。


节水抗旱稻

4. 发现在抗旱基因与产量基因连锁区域会出现一些陆稻特有的、稀有重组类型（例如耐旱基因DCA1与产量相关基因OsCesA7）。这种特有的重组类型有助于打破抗旱性—产量之间的负相关，使植株兼具高产与抗旱性。当然，仍需要在育种实践中验证产量—抗旱基因的重组对打破抗旱性—产量负相关的作用，某些关键重组事件或许能成为水稻抗旱育种的一类有效分子标记。

综上所述，该研究丰富了水陆稻遗传分化理论，在应用上对于节水抗旱性品种的选育具有重要的指导作用。


陆稻中的双向选择与水稻中的定向选择导致陆稻和水稻抗旱性与产量的差异

罗利军课题组长期致力于水稻的节水抗旱研究，提出了发展节水抗旱稻的策略与方法，通过引进陆（旱）稻的抗旱性，育成的一系列节水抗旱稻在生产上大面积推广。成功的育种实践表明，陆（旱）稻品种资源中蕴藏着丰富的抗旱基因资源。

该论文的第一第一作者为上海市农业生物基因中心夏辉博士，通讯作者为罗利军研究员。

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