窄叶基因NAL1的优良单倍型提高水稻产量的机理窄叶基因NAL1的优良单倍型提高

窄叶基因NAL1的优良单倍型提高水稻产量的机理

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BioArt植物
发布时间:2022-04-0815:37
上海艺馨信息科技有限公司
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提高作物光合作用能力是增加作物产量的重要方式(Longetal. ， 2015) 。作物群体光能利用效率的提高，一方面可以通过降低叶片叶绿素含量，增加冠层透光率、提高光保护状态的回复速度、构建光呼吸支路、增加RuBP的再生速度、提高气孔响应速度等遗传改良来提高叶片光合特性；另一方面可以通过优化作物的株型参数以获得更高的冠层光合速率。
IPA1
和
DEP1
由于能够同时调控水稻的株型、光合和产量在水稻的育种中被广泛应用(Qianetal. ， 2016) 。
窄叶基因
NAL1
也被报道能够同时影响水稻的叶片光合生理参数(Takaietal. ， 2013;Zhangetal. ， 2014;Wangetal. ， 2015;Tangetal. ， 2018)和株型参数(Fujitaetal. ， 2013;Choetal. ， 2014;Jiangetal. ， 2015;Yanoetal. ， 2016;Singhetal. ， 2018;Wangetal. ， 2020) ，表明其在水稻高产育种中具有重要的应用潜力。
但目前关于
NAL1
调控水稻叶片光合和株型的机理仍不清楚，并且每种
NAL1
单倍型对水稻产量的效应也还不明确。

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近日，中科院分子植物卓越中心
朱新广
团队利用在水稻模式品种9311中创制的
NAL1
基因三种不同功能水平单倍型的近等基因系材料：具有NAL1蛋白完整功能的9311-NIL系、NAL1部分失活的9311系、以及NAL1完全失活的9311-
nal1
系，系统研究了三种
NAL1
单倍型在同一遗传背景条件下对水稻叶型、株型、叶片光合、以及产量相关形状参数的影响。该研究成果以题为“
PartiallyfunctionalNARROWLEAF1balancesleafphotosynthesisandplantarchitectureforgreaterriceyield
”发表在
PlantPhysiology
上。

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该研究发现，
NAL1
正调控水稻的叶型。在叶长、叶宽、以及叶面积参数方面，完全功能的9311-NIL系>部分失活的9311系>完全失活的9311-
nal1
系。石蜡切片的结果显示，
NAL1
突变显著影响了叶片中小维管的发育。但
NAL1
负调控水稻叶片光合。在叶片光合速率、
V
cmax
、
J
max
、叶绿素含量、氮含量等叶片光合生理参数方面， 9311-NIL<9311<9311-
nal1
。转录组测序结果进一步显示，
NAL1
突变会上调光合相关基因的表达。这些结果表明
NAL1
拮抗调控了水稻的叶型和光合速率。
该研究还表明，
NAL1
显著影响水稻产量相关的农艺性状。在穗粒数方面， 9311-NIL>9311>9311-
nal1
，说明
NAL1
正调控水稻的穗粒数。但在穗数方面， 9311-NIL<9311<9311-
nal1
，说明
NAL1
负调控水稻的穗数。说明
NAL1
同时还拮抗调控了水稻的穗数和穗粒数。
三种
NAL1
单倍型产量效应的分析结果还显示，正常栽培条件下， 9311-NIL和9311表现为相近的产量表现。但由于9311与9311-NIL相似的株型、以及更高的叶片光合速率和穗数， 9311具有比9311-NIL更高的群体光合速率，暗示部分突变的
NAL1
单倍型具有更高的产量潜力。低密度栽培条件下的大田试验结果也进一步证明了9311具有比9311-NIL更高的产量。