有趣的是,后来该分子模块的核心组分还被其他研究证实是一个“氮高效”基因,“它不但可以促使颖壳长大,实际上也提高了水稻的氮素吸收和同化转运过程。”李双成表示这是一个令人兴奋的新发现,它意味着这个分子模块在提高产量的同时,还有助于肥料的节省,利于环境保护。
研发历程:
8年攻关 确定目标分子模块
“影响水稻产量的因子有很多,包括千粒重、穗粒数、结实率等,2020年前,我国对水稻产量的剖析已有较大进展,其中进展最好的一个领域就是千粒重基因相关研究。”据李双成介绍,决定粒重新状的相关基因受环境影响小、遗传效应大,这也是他们团队选择从它入手的原因。
在定下方向后,从最开始的在种质资源库里筛选材料,到分子模块模型建立,再到评估该模型价值,研究团队进行了约8年的努力。这个过程中,他们很幸运地找到了千粒重达到60克,重量为平常稻谷1倍多的水稻材料作为基因供体,但也遇到过重重困难。李双成认为其中最具挑战新的就是将目标基因克隆出来,以及系统地证明它的功能。
“我们在构建遗传群体、连续回交方面花了大概四五年时间。”他表示,由于水稻的千粒重是由众多基因共同决定的,为了探究究竟是哪些基因真正起到了提高粒重的作用,团队需要通过杂交、持续回交的方式“过滤”无关基因,并建立近等基因系来进行研究观察。这样的实验非常耗时,但在当时的技术条件下,也只有这样才能保证最后分离出准确的目标基因。
GLW2基因在不同背景下提高了水稻产量,有NIL 前缀的为有GLW2基因的水稻(NIL即近等基因系)
而在拿到目标基因后,团队还需要通过遗传转化,即转基因的方式,证明该基因可以发挥作用,“比方说把这个基因转到小粒水稻品种里面去,看其最后的稻米会不会变大,或者将大粒水稻品种中的该基因‘沉默’,看它结出的稻米会不会变小。”但由于当时采用的籼稻大粒材料遗传转化效率极低,团队不得不将该基因导入其他易于转化的籼稻背景,同时借助了部分粳稻材料,这一步也耗费了大量时间。