抗倒伏基因密碼解鎖！旱地谷子有望迎來“綠色革命”

極端天氣頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來持續(xù)考驗。在我國北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，作為傳統(tǒng)穩(wěn)產(chǎn)作物的谷子，正面臨著新的生存挑戰(zhàn)。以往耐旱耐瘠、適配干旱氣候的谷子，如今在雨帶北移、暴雨大風增多的氣候變局中，倒伏減產(chǎn)問題愈發(fā)突出，成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵痛點。

近日，山西農(nóng)業(yè)大學姜亮研究員團隊聯(lián)合崖州灣國家實驗室取得突破性科研成果，成功解鎖谷子抗倒伏的基因密碼，通過跨界借鑒水稻優(yōu)良基因資源，重塑谷子株型、破解生產(chǎn)難題，為古老旱地作物開啟新一輪“綠色革命”，相關(guān)研究成果刊發(fā)于國際權(quán)威期刊《Advanced Science》。

氣候變局下遇困境，谷子產(chǎn)業(yè)亟待破局

谷子是根植我國北方千年的特色雜糧，也是黃土高原、華北、東北旱作區(qū)的“當家作物”。千百年來，谷子憑借極強的耐旱、耐貧瘠特性，適配北方干旱少雨的氣候特征，穩(wěn)產(chǎn)性突出，是保障區(qū)域糧食安全、豐富膳食結(jié)構(gòu)的重要作物。但近年來，全球氣候變暖引發(fā)氣象格局巨變，我國主汛期雨帶持續(xù)北移，北方旱作區(qū)暴雨、大風等極端天氣頻次顯著增加，徹底打破了谷子生長的傳統(tǒng)氣候平衡。

長期自然演化形成的高稈株型，讓谷子天生存在“頭重腳輕”的短板。風調(diào)雨順的年份，高稈谷子長勢旺盛、結(jié)實飽滿，可一旦遭遇暴雨大風天氣，極易大面積倒伏。谷子倒伏后，不僅會大幅降低光合作用效率、造成籽粒干癟減產(chǎn)，還會徹底適配不了機械化收割作業(yè)，大幅增加采收成本，嚴重制約谷子規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展背景下，谷子種植逐步走向高密度、機械化模式，傳統(tǒng)高稈品種的倒伏缺陷被進一步放大。選育矮稈抗倒、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、適配機械化的谷子新品種，破解氣候適配難題，成為當下谷子產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求。立足生產(chǎn)實際，依托山西豐富的谷子種質(zhì)資源，科研團隊聚焦抗倒伏核心性狀，開啟了精準育種攻堅。

一因多效破痛點，基因調(diào)控重塑理想株型

優(yōu)良種質(zhì)資源是育種創(chuàng)新的核心基石。科研團隊在極端暴風雨天氣種質(zhì)篩選中，發(fā)現(xiàn)了表現(xiàn)優(yōu)異的sidt1谷子材料，它的株高比常規(guī)品種矮了近三分之一，莖稈粗壯，分蘗數(shù)卻翻了一倍多，為育種突破找到了關(guān)鍵突破口。

田間數(shù)據(jù)顯示，極端天氣下普通谷子品種倒伏率居高不下，而sidt1材料倒伏率僅3%，抗逆優(yōu)勢十分顯著。同時，該種質(zhì)分蘗數(shù)是野生型的2.2倍，株型緊湊規(guī)整，完美契合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植需求。

為探明其抗倒伏機制，團隊通過圖位克隆、基因編輯、激素測定、體外酶活分析等一系列精準實驗，完整解鎖了SiDT1基因的調(diào)控奧秘。研究證實，SiDT1基因可通過雙重調(diào)控機制實現(xiàn)“一因多效”：一方面抑制赤霉素合成，有效縮短谷子稈高、弱化植株徒長問題，從根源解決“頭重腳輕”的倒伏隱患；另一方面間接調(diào)控獨腳金內(nèi)酯信號通路，有效促進植株分蘗，增加有效穗數(shù)。

這一獨特的基因調(diào)控模式，讓新品種谷子實現(xiàn)了株型的完美重塑。高密度種植試驗證明，在45—60株/平方米的標準化種植密度下，改良后的谷子畝產(chǎn)與傳統(tǒng)高稈主栽品種持平，且小米蛋白、氨基酸、淀粉等核心品質(zhì)指標無明顯差異，真正實現(xiàn)了抗倒伏、不減產(chǎn)、保品質(zhì)的三重突破。

同時，緊湊矮化的株型還可適配聯(lián)合收割機作業(yè)，有望解決谷子機械化采收的行業(yè)痛點。此外，團隊通過基因編輯技術(shù)創(chuàng)制多個SiDT1等位基因，培育出有效穗數(shù)更多的優(yōu)質(zhì)新種質(zhì)，為谷子良種迭代升級提供了豐富素材。

從“小薇”到谷子，一次跨越物種的創(chuàng)新接力

此次谷子育種突破的一大亮點，是實現(xiàn)了禾本科作物的跨物種技術(shù)跨界應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控谷子株型的SiDT1基因，與培育迷你高產(chǎn)水稻“小薇”的核心株型調(diào)控基因為同源基因。

這意味著我國科研團隊成功將水稻育種的成熟優(yōu)質(zhì)基因資源，精準遷移應(yīng)用到谷子育種中，實現(xiàn)了禾本科作物育種技術(shù)的互通復用，延續(xù)了我國在模式植物基因育種領(lǐng)域的創(chuàng)新優(yōu)勢。

從水稻“小薇”到抗倒伏谷子，不僅是單一作物品種的改良突破，更是我國植物功能基因組學與生物育種自主創(chuàng)新能力的有力印證。相較于傳統(tǒng)育種周期長、盲目性強的短板，基因精準調(diào)控育種技術(shù)靶向性強、效率更高，能夠精準破解作物生產(chǎn)痛點，為雜糧作物現(xiàn)代化育種提供了全新思路與技術(shù)范式。

山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院呂建珍研究員為本論文的第一作者，程金金博士、胡振副研究員為論文共同第一作者。姜亮研究員、孔照勝教授以及崖州灣國家實驗室錢前院士為論文的共同通訊作者。研究得到了中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所植物激素平臺的大力支持。該研究獲得國家自然科學基金、山西農(nóng)業(yè)大學高層次人才專項等項目的資助。

（記者 宋雅娟）