雜草中的稗草是水稻的“頭號敵人”。它的危害比水稻瘟菌還要更甚。但水稻也進(jìn)化出了自己對抗稗草的“生化武器”——稻殼素。這是一種防御性的次生代謝產(chǎn)物，通過根系分泌，進(jìn)而抑制其他周邊稗草等植物的生長。
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過去5年里，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院樊龍江教授團(tuán)隊聯(lián)合日本科學(xué)家團(tuán)隊努力攻關(guān)，首次揭示了相關(guān)基因在基因組上成簇排列是防御性化感化合物稻殼素合成的關(guān)鍵，同時證實這樣的基因成簇進(jìn)化事件，通過趨同進(jìn)化在植物界已至少獨立發(fā)生了多次。這項成果于5月14日在美國《國家科學(xué)院院刊》發(fā)表。
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根據(jù)國際糧農(nóng)組織（FAO）估計，雜草每年造成的損失高達(dá)950億美元。
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眾所周知，農(nóng)民為了更好應(yīng)對以稗草為主的稻田雜草，需要至少噴打兩次除草劑，一來會造成農(nóng)藥殘留，同時也會污染土壤和增加生產(chǎn)成本。“如果不噴除草劑，到了成熟季節(jié)，稻田里就看不到水稻了。”樊龍江介紹。
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因此稻殼素的生化武器作用，對于未來育種具有重要作用，從而探究稻殼素的生成機(jī)制顯得尤為必要。
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目前已知自然界植物中能夠生產(chǎn)稻殼素的只有水稻、大灰蘚以及稗草。中日科學(xué)家已分別在水稻和稗草產(chǎn)生稻殼素的機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，基因成簇似乎是必要條件。
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就是在同一條染色體上，合成稻殼素的基因比較密集的排列在一起，呈簇狀。這就好像一個工業(yè)園上下游產(chǎn)業(yè)集聚在一起，能夠快速的將原料送到下游進(jìn)而生產(chǎn)。樊龍江說：“基因簇在進(jìn)化上有選擇優(yōu)勢，快速合成，防御抵御外來的影響。”
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那么，是不是要產(chǎn)生稻殼素，就必須要基因成簇。于是課題組對尚未明確機(jī)制的大灰蘚開展研究。
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為此，中日科研人員通力合作，通過基因組學(xué)、酶學(xué)和基因功能研究，發(fā)現(xiàn)大灰蘚基因組上稻殼素合成相關(guān)基因的確同樣成簇存在，并參與稻殼素合成。基于已測序的100多個植物基因組序列大規(guī)模分析，發(fā)現(xiàn)目前在植物界中只有上述三個物種進(jìn)化出稻殼素基因簇。雖然一些植物也進(jìn)化出稻殼素合成相關(guān)關(guān)鍵基因，但它們沒有在基因組上緊密排列成簇，因此無法合成稻殼素。
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樊龍江說，很多植物中都進(jìn)化出了稻殼素合成相關(guān)基因，但是他們都不能合成稻殼素。研究發(fā)現(xiàn)，這些物種的基因沒有成簇，只是零散的在各條染色體上，沒有聚集。所以說，*后結(jié)論，植物合成稻殼素，基因簇的進(jìn)化很重要。
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隨著研究的深入，中日科學(xué)家對稻殼素合成的基因簇陷入了更深的思考：它們是從古老的祖先物種中遺傳而來，還是各自獨立進(jìn)化？
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科研人員發(fā)現(xiàn)，是物競天擇的獨立進(jìn)化事件。“也就是說，未來還可能發(fā)現(xiàn)具有稻殼素的其他植物。”樊龍江說。
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稗草是惡性雜草，競爭力強(qiáng)，不防治，稻田就是它的天下。
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既然水稻和其重要對手稗草，都具有殺傷性的稻殼素？那么兩者競爭孰強(qiáng)孰弱，為什么水稻還會敗下陣來？
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樊龍江團(tuán)隊早前的研究已經(jīng)揭示，稗草還有一種秘密生化武器——丁布。目前科研人員正在篩選對丁布不敏感，但又能產(chǎn)生大量稻殼素的水稻品種，這將對未來綠色育種產(chǎn)生積*影響。“植物合成大量次生代謝產(chǎn)物，我們的研究對于認(rèn)識這些物質(zhì)合成和進(jìn)化機(jī)制具有意義，應(yīng)該會有廣泛影響。”他說。
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該研究得到國家和浙江省自然科學(xué)基金資助。
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相關(guān)論文信息：https://www.pnas.org/content/early/2020/05/13/156 0190