稻壳素：水稻应对威胁的“生化武器”

稗草是水稻的“头号敌人”。它比稻瘟病更有害。但是大米也进化出了自己的“生化武器”，来对付稗子、稻壳。这是一种由根系分泌的防御性次生代谢产物，从而抑制其他外围植物如稗草的生长。

在过去的五年里，来自浙江大学农业与生物技术学院的范龙江教授的团队与日本科学家联手解决了一些关键问题。首次揭示了基因组上相关基因的聚类排列是防御化感物质稻壳合成的关键。同时，已经证实，这种基因聚类进化事件已经通过会聚进化在植物界中独立地发生了至少几次。该结果发表在5月14日的《美国国家科学院院刊》上。

稻壳色素产生的机理

据国际粮食及农业组织(粮农组织)估计，每年因杂草造成的损失高达950亿美元。

众所周知，为了更好地处理以稗草为主的稻田杂草，农民至少需要喷洒两次除草剂，这将导致农药残留、土壤污染和生产成本增加。“如果你不喷洒除草剂，在成熟季节你就不会在稻田里看到水稻。”范龙江简介。

因此，稻壳的生化武器功能在未来育种中发挥着重要作用，因此探索稻壳生产的机理就显得尤为必要。

目前，已知只有水稻、泥炭藓和稗草能在天然植物中产生稻壳。中国和日本的科学家发现，基因聚类似乎是分别从水稻和稗草中生产稻壳的必要条件。

什么是基因聚类

正是在同一条染色体上，合成稻壳的基因密集地排列成簇。这就像一个上下游产业聚集在一起的工业园区，可以迅速将原材料送往下游进行生产。范龙江说:“基因簇在进化中具有选择性优势。它合成迅速，抵御外部影响。”

那么，如果要生产稻壳，基因聚类是必要的。因此，研究小组对泥炭藓进行了研究，但尚未确定其机制。

为此，中国和日本的研究人员相互合作，通过基因组学、酶学和基因功能研究，发现与稻壳合成相关的基因确实成簇存在并参与稻壳合成。基于对已经测序的100多个植物基因组序列的大规模分析，发现只有上述三个物种在植物界中进化出了稻壳基因簇。尽管一些植物已经进化出与稻壳合成相关的关键基因，但它们在基因组上并不是紧密排列成簇的，因此稻壳不能被合成。

范龙江说，许多植物已经进化出与稻壳合成相关的基因，但没有一种能够合成稻壳。研究发现，这些物种的基因不是聚集在一起的，而是分散在每条染色体上，而不是聚集在一起的。因此，最终的结论是基因簇的进化对植物合成稻壳非常重要。

稻壳的生产是自然选择的独立结果。

随着研究的深入，中国和日本科学家对稻壳合成基因簇有了更深入的思考:它们是从远古祖先物种遗传下来的，还是独立进化的？

研究人员发现这是自然选择的独立进化事件。"换句话说，将来可能会发现其他带有稻壳的植物."范龙江说道。

稗草是一种恶性杂草，具有很强的竞争力，但却无法控制。稻田是它的世界。

既然水稻和它的重要竞争对手稗草都有破坏性的稻壳？那么，哪一个比另一个更强，为什么大米仍然在流失？

范龙江团队的早期研究显示稗草还有一种秘密的化学和生物武器——丁布。目前，研究人员正在筛选对丁基橡胶不敏感但能产生大量稻壳的水稻品种，这将对未来的绿色育种产生积极影响。“植物合成大量的次级代谢产物。我们的研究对于理解这些物质的合成和进化机制具有重要意义，应该会产生广泛的影响。”他说。

本研究得到了国家和浙江省自然科学基金的资助。

相关论文信息:https://www.pnas.org/content/early/2020/05/13/1914373117