近日，中國水稻研究所和浙江大學合作揭示了稗草通過基因簇合成防御性次生代謝化合物，用于與水稻競爭和抵御稻田病菌的遺傳機制，為水稻C4育種提供了一個重要的基因遺傳資源。該研究成果已在線發表于《自然—通訊》，中國水稻研究所研究員郭龍彪和浙江大學邱杰為論文共同第一作者。
據悉，該研究得到國家自然科學基金委的重點資助，前后歷時6年，共有來自5個國家的16個研究團隊參與研究。
水稻是我國主要的糧食作物之一，其產量事關國計民生。由于水稻生長于高溫多雨環境，稻田雜草種類繁多。其中，稗草被認為是全球最嚴重的雜草危害之一，也是稻田最主要的雜草，嚴重影響水稻產量，被列為我國農田15種危害最嚴重雜草之首。
稗草與水稻均屬于禾本科，其在生長期、株型及對營養的需求等生物學特性與水稻極為相似，是水田中最難防除的伴生性雜草，農事操作不當很易造成水稻產量的重大損失。
“目前，稻田除草主要依賴于化學除草劑。如果不進行人工除草或不噴施除草劑，水稻難以與稗草競爭。”郭龍彪說，但大量使用除草劑不僅污染環境，還增加生產成本，并且由于稗草對除草劑抗性的產生，又進一步導致除草劑用量大增。因此，在輔以栽培管理措施下，選育具有抑制稗草作用的“綠色水稻”，是減少化學除草劑使用的重要方式。
其中，植物化感是水稻和雜草互作的主要方式之一。化感作用是指植物向環境釋放特定的防御性化學物質，從而影響鄰近植物生長的效應。水稻與稗草之間就可以自身合成并釋放化學物質來相互抑制生長，產生植物化感效應。
研究團隊發現，稗草能分泌一種叫丁布的次生代謝產物，可以明顯抑制水稻生長。他們在基因組研究中找到了能合成丁布的3個基因簇。稗草在與水稻混種時，該基因簇會快速啟動“制造”丁布。項目主要研究者之一樊龍江說，丁布是稗草獨有的秘密武器，而水稻沒有，同時，稗草還能合成水稻的“撒手锏”稻殼素。
這是研究人員首次了解到稗草會利用基因簇的遺傳機制合成這些化合物來與水稻競爭，從而起化感作用。研究還發現細胞色素和谷胱甘肽巰基轉移酶基因具有解毒功能，以非靶標抗性機制，直接參與雜草除草劑抗性的進化。因而，利用化感作用進行雜草防控將是農業可持續發展的關鍵技術之一。
水稻為C3植物，而玉米高粱等作物為C4作物。C4植物的光合效率更高，所以一直以來，通過創制C4水稻品種，提高水稻產量是水稻育種的一個重要目標。稗草即為C4植物，同時與水稻有著相同的生境和株型，因而為C4水稻育種提供了一個最為理想的模式植物和C4途徑基因供體。此次研究獲得的稗草基因組，它的C4途徑相關基因已獲得，這為水稻C4育種提供了光明前景。
“比如，我們可以先把稗草C4途徑關鍵基因一個個導入水稻中，通過雜交方式將基因聚合，來看看這樣聚合的水稻光合效率是否會提高，及其產量是否會明顯提高。”相關實驗正在順利開展中，樊龍江說：“我們希望稗草能‘逆襲’成功，成為水稻育種家們的掌上明珠。”
