日本農研機構、東北大學和產業技術綜合研究所全球首次在水稻中發現了控制根系成長方式的基因（qSOR1），可避免鹽害水田中的水稻成長受阻。在鹽害水田中，不僅是鹽分帶來的直接損害，鹽分引起的土壤特性變化還會導致土壤缺氧，從而對植物造成損害。透過控制此次發現的基因，使水稻的根系向土壤表面伸展，而不是向無氧狀態的土壤内部伸展，能減輕鹽害導致的減產。該成果有望開發出新品種，爲鹽害地區（地球變暖導致海洋潮水倒灌風險增加的日本及亞洲熱帶沿海地區）的水稻產量保持穩定做出巨大貢獻。
圖1：鹽害水田環境與根系形狀的關係（示意圖）
鹽害與乾旱一樣，都會給全球的農業生產造成嚴重損害。例如，預測到2050年全球將有50％的耕地受到鹽害影響。另外，近年來地球變暖造成海平面擧升，導致暴風潮和超級颱風頻發，上游修建水庫等用水造成水流減量，導致海水流入河口地區，這使得日本等全球很多沿海地區的農作物受到的鹽害都越來越嚴重。因此，以水稻爲首，目前全球很多作物都需要開發抗鹽害的品種。
日本農研機構此前也透過改良根系全球首次成功開發出了抗旱水稻。此次，農研機構與東北大學透過聯合研究，新發現了使根系向土壤表面成長的「地表根系基因（qSOR1基因）」。利用該基因，透過改良根系，全球首次成功開發了抗鹽害的水稻。透過導入特定的qSOR1基因，鹽害造成的產量減量約改善了15％。該基因能有效避免鹽害水田的土壤缺氧造成的損害，可用於將水稻改良成適合鹽害水田的品種。此外，預計還有助於預防重黏土水田、風化作用水田和排水不良水田等因土壤缺氧而發生的根系腐爛問題。
1. 確定水稻地表根系基因（qSOR1基因）
研究團隊利用遺傳學方法，從形成地表根系的印度尼西亞水稻（品種名稱：Gemdjah Beton）中確定了與地表根系形成有關的「qSOR1基因」。該基因作用於根系頂端，與根系沿重力方向成長（向地性）有關。研究發現，在Gemdjah Beton中，該基因不起作用，因此根系沒有沿重力方向成長，而是向土壤表面伸展。另外還發現，包括Gemdjah Beton在内，只有印度尼西亞的部分水稻品種攜帶這種基因。
2. 形成地表根系的水稻在鹽害水田能抑制產量減量
研究團隊透過DNA標記選擇育種，用Gemdjah Beton的非功能基因更換了笹錦米（不形成地表根系的普通水稻）的qSOR1基因（圖2上圖）。導入Gemdjah Beton的qSOR1基因的笹錦米形成了地表根系（圖2下圖中央)。接下來，用4年時間在鹽害水田（鹽水濃度爲0.4％）和普通水田（未實施鹽水處理）比較了這種水稻與笹錦米的產量。鹽水處理是將含有鹽分的地下水注入東北大學研究生院生命科學研究科的蓄水生態系統野外實驗設施的水田中實施的。結果顯示，在普通水田中，二者的產量沒有差別，但在鹽害水田中，導入Gemdjah Beton的qSOR1基因的笹錦米比普通笹錦米增收15％以上（糙米重量，4年平均值，圖3）。該成果表明，雖然Gemdjah Beton的qSOR1基因在普通水田中對水稻成長沒有影響，但在鹽害水田中可以避免根系缺氧，能改善水稻成長。
圖2：透過導入qSOR1基因形成地表根系
圖3：形成地表根系在鹽害水田的增收效果
3. 確定與qSOR1基因功能相似的基因
研究團隊進行基因序列解析發現，水稻中攜帶與qSOR1最相似的基因序列的基因是過去確定的DRO1基因。與qSOR1基因一樣，DRO1基因也具有改變根系形狀的功能。因此，研究團隊透過DNA標記選擇育種組合這兩種基因，將水稻根系改良成了不同的形狀（圖4）。觀察發現，兩種基因共同起作用的水稻紮根最深，兩種基因均不起作用的水稻紮根最淺。如上所述，透過組合兩種基因，能從淺根系到深根系自由改變水稻的根系形狀。
圖4：qSOR1基因和DRO1基因對根系形狀的影響
論文資訊
論文題目：Root angle modifications by the DRO1 homolog improve rice yields insaline paddy fields
發表期刊：Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America
DOI：10.1073/pnas.2005911117
文：JST客觀日本編輯部
