沙蓬生理生態(tài)與遺傳馴化研究獲得新進(jìn)展
發(fā)表日期:2024-08-29來(lái)源：
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沙蓬(俗稱沙米，Agriophyllum squarrosum)是一種廣泛分布于溫帶沙漠流動(dòng)沙丘上的一年生草本植物，逆境適應(yīng)性強(qiáng)，其種子營(yíng)養(yǎng)價(jià)值均衡全面，可作為未來(lái)作物開發(fā)利用。中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院趙鵬善課題組在沙蓬種質(zhì)資源評(píng)價(jià)方面取得了一系列進(jìn)展，為沙蓬遺傳馴化和種質(zhì)創(chuàng)新提供了新材料和新方法。
課題組報(bào)道了沙蓬偶發(fā)性三子葉現(xiàn)象，探討了雙子葉植物中偶發(fā)性三子葉的可能影響因素和育種應(yīng)用，并從化學(xué)誘變突變體庫(kù)中篩選出多個(gè)子葉數(shù)目變異突變體，為理解子葉數(shù)量的遺傳控制基礎(chǔ)奠定了材料基礎(chǔ)。
課題組在化學(xué)誘變突變體庫(kù)中篩選獲得一株表皮毛減少的沙蓬突變體，結(jié)合測(cè)序定位和圖位克隆，準(zhǔn)確克隆了目的基因，通過(guò)篩選等位突變體，驗(yàn)證了基因克隆結(jié)果，并獲得了一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。該研究成功建立了沙蓬突變基因克隆技術(shù)體系，證實(shí)了利用人工誘變快速削弱沙蓬野生性狀、選育沙蓬單一馴化性狀品系的可行性。
生長(zhǎng)發(fā)育階段及其標(biāo)志性發(fā)育事件的確認(rèn)是開展遺傳學(xué)研究、建立表型變異和遺傳控制基因之間因果關(guān)系的重要前提條件。基于國(guó)際BBCH編碼系統(tǒng)，課題組定義了9個(gè)沙蓬生長(zhǎng)發(fā)育階段，涵蓋了整個(gè)生活史，明確了標(biāo)志性發(fā)育事件，建立了沙蓬BBCH編碼系統(tǒng)。通過(guò)大田實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該編碼系統(tǒng)的可行性，量化了各個(gè)主要階段及其次級(jí)細(xì)分階段的時(shí)間持續(xù)范圍，為開展沙蓬種質(zhì)資源評(píng)價(jià)、分子遺傳學(xué)研究和遺傳馴化建立了生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期轉(zhuǎn)換的表型參考標(biāo)準(zhǔn)。
下胚軸的可塑性伸長(zhǎng)是沙蓬應(yīng)對(duì)風(fēng)蝕沙埋保障出苗的關(guān)鍵適應(yīng)性狀。課題組評(píng)估了6個(gè)人工選育沙蓬株系的出苗特征，基于偏最小二乘法模型，分析了來(lái)源地溫度和降水、千粒重、種子萌發(fā)和出苗模式對(duì)沙蓬選育株系下胚軸長(zhǎng)度變異的作用效應(yīng)。該研究為進(jìn)一步理解相同遺傳背景下的表型不穩(wěn)定性提供了重要遺傳材料。
通過(guò)對(duì)沙蓬的先鋒植物屬性進(jìn)行系統(tǒng)梳理，課題組分析了沙蓬野生種子的萌發(fā)特性，明確了沙蓬種子存在不同程度的生理性休眠，闡述了沙蓬適應(yīng)流動(dòng)沙丘的生理生態(tài)機(jī)制，為開展沙蓬遺傳馴化和選育栽培適宜品系奠定了理論基礎(chǔ)。
以上研究成果第一作者分別為西北研究院博士研究生冉瑞蘭、碩士研究生劉雨潔，通訊作者為趙鵬善研究員和崔曉云副研究員。特別感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、甘肅省重大專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院西部之光交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目的資助。此外，偶發(fā)性三子葉的工作在線發(fā)表后得到了中國(guó)科學(xué)院（https://english.cas.cn/newsroom/research_news/life/202309/t20230926_377486.shtml#）、澳大利亞Mirage.News（https://www.miragenews.com/sand-rice-tricotyledony-genetic-and-1093529/）以及世界科技新聞門戶網(wǎng)站phys.org（https://phys.org/news/2023-09-reveal-genetic-evolutionary-characteristics-tricotyledony.html）的關(guān)注和報(bào)道。
成果列表：
1.Ran,?R.,?Li,?X.,?Sun,?H.?Liu,?Y.,?Chen,?G.,?Zhao,?P.?(2024).?Tricotyledony?in?sand?rice?(Agriophyllum?squarrosum).?Genet?Resour?Crop?Evol,?71:529-537.?https://doi.org/10.1007/s10722-023-01712-7.
2. Ran,?R.,?Chen,?G.,?Zhao,?P.?(2024).?A?BBCH-scale?code?for?the?phenology?of?sand?rice?(Agriophyllum?squarrosum?(L.)?Moq.).?Annals?of?Applied?Biology,?1-10.?https://doi.org/10.1111/?aab.12924
3. 趙鵬善,?陳國(guó)雄,?冉瑞蘭,?等.一種表皮毛減少的沙蓬的磷酸酶突變蛋白及其應(yīng)用[P].甘肅省:CN202310031974.5,2024-05-14.
4. Liu,?Y.,?Cui,?X.,?Li,?X.,?Ran,?R.,?Chen,?G.,?Zhao,?P.?(2024).?Phenotypic?variation?in?hypocotyl?elongation?among?elite?sand?rice?(Agriophyllum?squarrosum)?lines.?Ecology?and?Evolution,?14,?e70051.10.1002/ece3.70051.
5. 劉雨潔，孫紅，李曉鳳，冉瑞蘭，陳國(guó)雄，趙鵬善.（2024）.?流動(dòng)沙丘先鋒植物沙蓬種子庫(kù)和萌發(fā)特性綜述.?草業(yè)科學(xué),?1-15[2024-08-29].?
圖1沙蓬、藜麥、菠菜偶發(fā)三子葉形態(tài)
圖2?沙蓬野生型SPT與表皮毛減少突變體astcl1
圖3?2023年皋蘭站沙蓬生長(zhǎng)季溫度變化及沙蓬BBCH編碼系統(tǒng)主要階段時(shí)間持續(xù)范圍
圖4?沙蓬采樣點(diǎn)的地理分布和當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及選育株系的起源地
圖5 流動(dòng)沙丘沙蓬種子庫(kù)分布形式（虛線為 20 cm 沙埋深度）?
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