大气中CO2浓度升高促进水稻分蘖发生的分子机理研究

The irreversible globally elevated CO2 concentration in the atmosphere has brought grave impact on the crop production. In order to secure the staple crop production, we have to breed crop varieties with the proper characters and develop matching cultivation system in response to the changing condition. Results from FACE research have shown that irrelevant to rice subspecies, varieties or hybrids, the number of panicle increases along with the rising CO2 concentration, while the other yield components response inconsistently. This corresponds to the fast tiller increment at early growth stage. Though the physiological and agronomical features of the tiller growth responding to the rising CO2 concentration have been extensively studied, however, it is still enigmatic that what genes and their regulatory pathways are involved in regulating the tiller growth. This project propose to employ microarray chip to screen the gene expression differentially in the tiller bud at early stage. The gene list generated from the differential analysis would provide us not only what genes participate in the tiller growth manipulation but also lend us an approach to molecular breeding and optimize the cultivation strategy in dealing with the changing CO2 condition in the atmosphere.

全球大气CO2浓度迅速升高将不可避免地给作物生产带来深刻影响。因应这一变化提早做好作物品种选育和栽培技术措施的应对策略是持续保障作物生产安全的重要环节。FACE研究表明，CO2浓度升高使水稻不同类型品种产量均明显提高，从产量构成看，无论是常规籼稻,粳稻,籼型或籼粳交杂交稻，穗数均明显提高，而其他构成因素变化因品种类型而不同。CO2浓度升高使水稻分蘖发生早、前期分蘖发生速率大是造成CO2浓度升高条件下穗数明显提高的重要原因。CO2浓度升高促进水稻分蘖发生的分子机理和途径是什么？目前并不清楚。本研究以微阵列芯片测定苗期和分蘖始期分蘖芽附近组织的基因转录谱表达水平的响应变化，以明确响应CO2水平变迁的相关基因名单及其表达水平的变化和在不同基因型背景下的差异，借此锁定调节分蘖发生的相关基因及其可能调节路径。研究结果将为应对CO2浓度变迁而针对性地培育水稻品种和优化栽培策略提供生物学基础。

大气中CO2浓度增加的事实及其严重后果已经非常清晰。对农作物生产而言，如何应对大气层中的CO2浓度持续加速升高的关键之一是利用好其肥料效应的有利因素。深入剖析CO2浓度升高对水稻生长的影响机理是收获其红利的重要理论支撑。本研究工作初步揭示了水稻在高CO2浓度下分蘖发生增加的生理和分子机理，创造了特定的遗传材料，为生产上利用CO2浓度如何管理氮肥提供了更清晰的理论依据，并为进一步探明其分子机制打下了坚实的基础。.在生理水平上，本研究结果通过对籼稻代表品种扬稻6号和粳稻代表品种日本晴两个材料的出叶进程和分蘖发生等的比较，证实了苗期分蘖发生受到高CO2浓度促进效应显著；高CO2浓度促进分蘖发生效应的大小较大程度上依赖于氮肥水平的提高。水稻植株的干物质积累受高CO2浓度促进明显增加。在对水稻植株的氮素吸收上，高CO2浓度下水稻植株的氮素含有率整体下降，其中叶片和叶鞘的含有率下降明显，不过，新生分蘖的含氮率却略有增加的趋势。说明在高CO2浓度下，水稻植株体内在氮素分配上作了有效的调整，更利于分蘖发生。这一发现对于指导水稻生产中的氮肥管理有重要的意义。.在分子水平上，本研究的转录组数据分析结果表明，高CO2浓度影响转录水平的幅度和范围远小于供氮水平的影响；对与分蘖发生有关的基因表达水平的影响幅度也略低于供氮水平的影响。不过这些基因表达水平的改变不一定需要达到2倍以上的幅度，依然能够显著影响分蘖发生数。对其中5个转录水平显著改变的基因作表达水平改变的遗传操作后发现，他们显著影响水稻植株的表现型。这对明析水稻分蘖响应CO2的分子途径有重要的意义。