歐陽鑫昊副教授團(tuán)隊在Nature Food發(fā)文，建立作物緯度適應(yīng)性預(yù)測方法
隨著全球氣候變化，各種作物趨向往溫度適宜的高緯度擴(kuò)張。同時，中低緯度地區(qū)，需要利用耐熱、耐旱、耐澇等種質(zhì)資源進(jìn)行品種改良，以減少氣候變化帶來的負(fù)面影響，確保產(chǎn)量。此外，全球變暖延長了不同緯度夏季作物的生長季節(jié)，重新調(diào)整現(xiàn)有作物的輪作方式，有利于實現(xiàn)產(chǎn)量最大化。這些過程都亟需對作物進(jìn)行緯度適應(yīng)性改良。作物的緯度適應(yīng)性是指在特定的生態(tài)環(huán)境，作物全生育期與該生態(tài)區(qū)作物生長季節(jié)保持一致，從而實現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。作物的緯度適應(yīng)性對于品種選育與引種、雜交種制種與產(chǎn)量都極為重要。傳統(tǒng)育種中，育種家通過調(diào)整生育期，改良作物緯度適應(yīng)性。作物的感光性（光周期開花）是生育期調(diào)控的決定性因素。
我院歐陽鑫昊副教授團(tuán)隊近年來對水稻感光性的遺傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列進(jìn)展。其中，2017年，該團(tuán)隊報道了水稻感光性關(guān)鍵分子模塊DTH8-Hd1在光周期網(wǎng)絡(luò)中的重要功能（Du et al., Molecular Plant, 2017）。隨后幾年，全球多個研究團(tuán)隊共同揭示了光周期核心分子模塊DTH8-Hd1-Ghd7-DTH7調(diào)控水稻感光性的重要作用。但是，由于傳統(tǒng)育種實施周期長，具有地域局限性，難以快速、準(zhǔn)確地測量水稻感光性。因此，即使我們知道水稻感光性的核心分子模塊，依然無法通過精準(zhǔn)的分子設(shè)計實現(xiàn)對現(xiàn)有品種的緯度適應(yīng)性快速改良。
近期，歐陽鑫昊副教授團(tuán)隊在Nature子刊Nature Food在線發(fā)表了題為Forecasting rice latitude adaptation through a daylength-sensing-based environment adaptation simulator的研究論文，建立作物緯度適應(yīng)性預(yù)測方法。
該研究利用多間全人工光的智能氣候室建立基于日長識別系統(tǒng)的緯度適應(yīng)性模擬器，通過在模擬器中收集水稻幼苗的成花素表達(dá)數(shù)據(jù)，鑒定水稻晝夜長度（日長）識別方式，從而利用日長識別方式實現(xiàn)水稻感光性的定量描述。進(jìn)一步，該團(tuán)隊利用緯度適應(yīng)性模擬器建立基因型與日長識別方式的內(nèi)在聯(lián)系（圖1），并發(fā)現(xiàn)水稻感光性核心基因DTH8、Hd1、Ghd7、DTH7的變異可以改變水稻日長識別方式。
圖1.基因型與日長識別方式的內(nèi)在聯(lián)系
當(dāng)DTH8、Hd1、Ghd7、DTH7都具有功能時，水稻可以識別臨界日長閾值來感知晝夜長度變化。識別臨界日長閾值（強感光性）的品種在育種中往往不具有廣適應(yīng)性。然而，分別突變DTH8、Hd1、Ghd7、DTH7能夠打破水稻對原始臨界日長閾值的識別，使不同水稻品種或材料產(chǎn)生豐富而多樣化的日長識別方式來適應(yīng)不同的緯度（圖2）。例如，高緯度的粳稻品種攜帶ghd7無功能等位,可以將水稻臨界日長識別轉(zhuǎn)變?yōu)闈u變?nèi)臻L識別并弱化感光性，從而促進(jìn)這些品種在高緯度地區(qū)早抽穗，避開秋季低溫實現(xiàn)高產(chǎn)。
圖2.日長識別方式與緯度適應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系
雜交秈稻品種中，三系雜交稻主要利用了dth8無功能等位基因來改變?nèi)臻L識別方式弱化感光性，增強雜交品種的緯度適應(yīng)；兩系雜交稻利用了hd1無功能等位基因來改變?nèi)臻L識別方式弱化感光性，增強雜交品種的緯度適應(yīng)。值得一提的是，該團(tuán)隊證實緯度適應(yīng)性模擬器也可以用于玉米和大豆等作物的日長識別鑒定，為該模擬器后續(xù)在其他作物中的應(yīng)用提供了思路。
作物緯度適應(yīng)性模擬器建立了基因型、日長識別與緯度適應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，作為一種快速、普適的作物緯度適應(yīng)性預(yù)測模型和品種改良決策系統(tǒng)對于加速作物緯度適應(yīng)性改良應(yīng)對全球氣候變化下的糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
我院博士研究生邱蕾蕾、吳芹芹、王笑穎、韓久盼為共同第一作者，歐陽鑫昊副教授為文章的通訊作者。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所李仕貴教授、我院黃烯教授、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院王向峰教授等也參與了該項工作。同時，該研究還得到了全國多家研究機(jī)構(gòu)的大力支持和幫助。此工作由國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目和廈門大學(xué)校長基金資助完成。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43016-021-00280-2
（圖/文 歐陽鑫昊課題組）
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