湖北
北京時間7月23日晚，華中農業大學熊立仲教授團隊在國際學術期刊《細胞》（Cell）雜志在線發表題為“An Oryza orphan gene confers trans-species drought tolerance”的研究論文。
該研究鑒定出一個名為“ROAD1”的稻屬特異抗旱孤兒基因，并發現攜帶其功能等位基因ROAD1C的水稻在田間干旱條件下產量較對照顯著提高；此外，ROAD1在擬南芥、油菜、玉米、小麥和楊樹等多種受試植物中展現出跨物種抗旱應用潛力。
圖1 ROAD1介導跨物種抗旱的作用模式
“孤兒基因”ROAD1的發現
干旱是威脅全球作物生產和糧食安全的重要環境因素。植物體內擁有一套經典的抗旱信號系統（ABA信號通路），其核心組分在不同植物中高度保守，且廣泛參與植物的生長發育和環境響應等關鍵過程。然而，直接干預這些核心組分往往會引發植物生長抑制、產量下降等副作用。因此，如何在不影響植物正常生長的前提下精準提高其抗旱能力，成為亟待解決的重要科學問題。
研究團隊以240份水稻種質資源為材料，成功鑒定出一個稻屬特有的“孤兒基因”——ROAD1。這類基因僅存在于特定物種中，缺乏可檢測的遠緣同源基因。研究發現，攜帶功能等位基因ROAD1C的水稻在干旱脅迫下葉片卷曲程度較輕，產量損失更小。
圖2 水稻抗旱基因ROAD1的遺傳鑒定、功能驗證及進化分析
進化分析表明，ROAD1可追溯至南方野生稻Oryza meridionalis中的祖先序列。在后續演化過程中，逐步形成功能等位基因ROAD1C。群體遺傳分析進一步顯示，ROAD1C在粳稻馴化過程中受到選擇，并在來源于降水量相對較少地區的粳稻材料中呈現較高頻率。
ROAD1基因的抗旱機制
ROAD1是如何在不影響水稻正常生長的情況下發揮抗旱作用的呢？研究發現，在水稻的抗旱信號通路中，OsPP2C68蛋白扮演著“剎車”作用，當水稻在水分供應充足條件下生長時，會抑制抗旱反應。而在干旱來臨時，ROAD1蛋白會大量積累，并與OsPP2C68結合，解除OsPP2C68的“剎車”作用，進而增強植物的抗旱響應。
巧妙的是，ROAD1蛋白如同一種“脅迫依賴型增強因子”，在水分充足時，其蛋白水平極低，不影響水稻正常生長；只有在干旱脅迫下，才會大量積累并發揮作用。這種“按需啟動”的機制，完美兼顧了水稻的抗旱性與穩產性。
ROAD1基因的實際應用價值
為驗證ROAD1基因的實際應用價值，研究團隊將功能等位基因ROAD1C導入優良水稻品種中進行田間測試。結果顯示，在干旱條件下，攜帶ROAD1C的近等基因系的水稻產量較對照提高約21%至35%，而在正常供水條件下，未觀察到明顯的生長和產量不利變化。
圖3 功能等位基因ROAD1C提高水稻水分受限條件下的產量
更令人振奮的是，由于抗旱信號的核心模塊在植物界高度保守，研究團隊將ROAD1基因導入擬南芥、油菜、玉米、小麥和楊樹中，均發現這些植物表現出更好的抗旱性。這意味著，這一源自水稻的基因有望成為多種農作物的“跨物種抗旱利器”。
圖4 異源表達ROAD1增強多種受試植物的抗旱性
該研究不僅揭示了植物如何通過新基因適應環境的科學難題，更為未來的農業抗旱育種提供了寶貴的基因資源和研究思路。
專家點評
中國科學院院士、中國科學院植物研究所研究員種康表示，該研究建立了從進化起源、分子機制到田間評價和跨物種驗證的完整證據鏈，深化了對孤兒基因參與植物環境適應的認識，也為發掘抗旱基因資源和培育抗旱穩產作物提供了新的思路。
中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員林鴻宣認為，這是一項將適應性進化、分子機制與田間育種評價有機結合的突破性成果，為發掘作物基因組中的新基因資源和培育抗旱作物提供了新的思路。
華中農業大學生命科學技術學院博士后涂海甫、博士生劉倩和博士后葉田田為論文共同第一作者，華中農業大學生命科學技術學院熊立仲教授、熊海燕副研究員和賴雪雷教授為共同通訊作者。華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、生命科學交叉學院和湖北洪山實驗室為主要完成單位；東北林業大學、河南大學和中國科學院遺傳與發育生物學研究所等單位參與合作。
文 | 熊海燕
編輯 | 匡敏
審校 | 徐行 楊正蓮 杜乂旻
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