日本农研机构、东北大学和产业技术综合研究所全球首次在水稻中发现了控制根系生长方式的基因（qSOR1），可避免盐害水田中的水稻生长受阻。在盐害水田中，不仅是盐分带来的直接损害，盐分引起的土壤特性变化还会导致土壤缺氧，从而对植物造成损害。通过控制此次发现的基因，使水稻的根系向土壤表面伸展，而不是向缺氧状态的土壤内部伸展，能减轻盐害导致的减产。该成果有望开发出新品种，为盐害地区（地球变暖导致海洋潮水倒灌风险增加的日本及亚洲热带沿海地区）的水稻产量保持稳定做出巨大贡献。
图1：盐害水田环境与根系形状的关系（示意图）
盐害与干旱一样，都会给全球的农业生产造成严重损害。例如，预测到2050年全球将有50％的耕地受到盐害影响。另外，近年来地球变暖造成海平面上升，导致风暴潮和超强台风频发，上游修建水库等用水造成水流减少，导致海水流入河口地区，这使得日本等全球很多沿海地区的农作物受到的盐害都越来越严重。因此，以水稻为首，目前全球很多作物都需要开发抗盐害的品种。
日本农研机构此前也通过改良根系全球首次成功开发出了抗旱水稻。此次，农研机构与东北大学通过联合研究，新发现了使根系向土壤表面生长的“地表根系基因（qSOR1基因）”。利用该基因，通过改良根系，全球首次成功开发了抗盐害的水稻。通过导入特定的qSOR1基因，盐害造成的产量减少约改善了15％。该基因能有效避免盐害水田的土壤缺氧造成的损害，可用于将水稻改良成适合盐害水田的品种。此外，预计还有助于预防重粘土水田、老化水田和排水不良水田等因土壤缺氧而发生的根系腐烂问题。
1. 确定水稻地表根系基因（qSOR1基因）
研究团队利用遗传学方法，从形成地表根系的印度尼西亚水稻（品种名称：Gemdjah Beton）中确定了与地表根系形成有关的“qSOR1基因”。该基因作用于根系顶端，与根系沿重力方向生长（向重力性）有关。研究发现，在Gemdjah Beton中，该基因不起作用，因此根系没有沿重力方向生长，而是向土壤表面伸展。另外还发现，包括Gemdjah Beton在内，只有印度尼西亚的部分水稻品种携带这种基因。
2. 形成地表根系的水稻在盐害水田能抑制产量减少
研究团队通过DNA标记选择育种，用Gemdjah Beton的非功能基因替换了笹锦米（不形成地表根系的普通水稻）的qSOR1基因（图2上图）。导入Gemdjah Beton的qSOR1基因的笹锦米形成了地表根系（图2下图中央)。接下来，用4年时间在盐害水田（盐水浓度为0.4％）和普通水田（未实施盐水处理）比较了这种水稻与笹锦米的产量。盐水处理是将含有盐分的地下水注入东北大学研究生院生命科学研究科的蓄水生态系统野外实验设施的水田中实施的。结果显示，在普通水田中，二者的产量没有差别，但在盐害水田中，导入Gemdjah Beton的qSOR1基因的笹锦米比普通笹锦米增收15％以上（糙米重量，4年平均值，图3）。该成果表明，虽然Gemdjah Beton的qSOR1基因在普通水田中对水稻生长没有影响，但在盐害水田中可以避免根系缺氧，能改善水稻生长。
图2：通过导入qSOR1基因形成地表根系
图3：形成地表根系在盐害水田的增收效果
3. 确定与qSOR1基因功能相似的基因
研究团队进行基因序列解析发现，水稻中携带与qSOR1最相似的基因序列的基因是过去确定的DRO1基因。与qSOR1基因一样，DRO1基因也具有改变根系形状的功能。因此，研究团队通过DNA标记选择育种组合这两种基因，将水稻根系改良成了不同的形状（图4）。观察发现，两种基因共同起作用的水稻扎根最深，两种基因均不起作用的水稻扎根最浅。如上所述，通过组合两种基因，能从浅根系到深根系自由改变水稻的根系形状。
图4：qSOR1基因和DRO1基因对根系形状的影响
论文信息
论文题目：Root angle modifications by the DRO1 homolog improve rice yields insaline paddy fields
发表期刊：Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America
DOI：10.1073/pnas.2005911117
文：JST客观日本编辑部
