着眼于未来:日本研究高浓度"二氧化碳"环境下的水稻品种

新技术 2018年08月20日
日文

日本农研机构确认,通过杂交方式将高产水稻品种拥有的稻粒增加基因导入“越光水稻”后,在高浓度CO2条件下,产量仍可大幅增加。针对未来地球CO2浓度的上升,该成果将为培育CO2环境下的高产水稻品种做出贡献。

自18世纪下半期产业革命开始至今,空气中的CO2浓度在约250年间增加了40%,预计今后还会继续上升。随着空气中的CO2浓度上升,水稻的光合作用产物增加,产量和生长能力随之提高。不过,此前一直未确定在将来的高浓度CO2条件下,为增加产量而保存的品种应该具备哪些特性。

对此,农研机构利用能在室外实现高浓度CO2的开放式高CO2浓度实验设施(FACE),构建了预计约50年后出现的高浓度CO2(较目前增加50%倍左右)环境,在这种环境里栽培通过人工杂交方式将高产水稻品种拥有的稻粒增加基因导入“越光水稻”中的品系,并对其产量和生长能力进行了调查。调查发现,在高浓度CO2条件下光合作用的产物,能更多地输送至谷穗中,因此可以高产。

高产品种拥有的稻粒数量增加基因可以通过人工杂交方式轻松导入“越光水稻”等现有品种。所以,此次的研究成果,有助于培育适合未来的高浓度CO2环境的高产水稻品种。

研究内容

研发小组利用可在室外实现高浓度稻粒CO2的开放式CO2浓度增加实验设施(照片1A、B),构建了CO2浓度比正常空气大约高出200ppm的环境,通过人工杂交和DNA标记选择的方式,将高产水稻品种“Takanari”拥有的稻粒数量增加基因APO1导入“越光水稻”中,栽培了近等基因置换品系“NIL-APO1”(照片1C),并对其产量和生长能力进行了调查。

增加实验设施(A、B)及试验品种和品系(C)

照片1:开放式空气CO2增加实验设施(A、B)及试验品种和品系(C)

水稻即使通过品种改良和栽培技术增加稻粒数量,但由于结实率会相应降低,依然存在产量不能如愿增加的情况。在普通空气条件下,拥有稻粒增加基因的“NIL-APO1”与不具备该基因的“越光水稻”相比,因稻粒数量较多,结实率有所降低,产量仅增加5%(图1A~C)。而在高浓度CO2条件下,虽然稻粒数量很多,但结实率没有降低,产量增加16%。

不同CO2浓度条件及不同品种和品系的精米产量(A)及产量构成要素(B、 C)

图1:不同CO2浓度条件及不同品种和品系的精米产量(A)及产量构成要素(B、 C)

关于成熟期的水稻茎秆中所含的光合作用产物——非结构性碳水化合物(茎秆NSC)的含量,与普通空气条件相比,“NIL-APO1”和“越光水稻”的茎秆NSC含量都是在光合作用旺盛的高浓度CO2条件下更高(图2A)。不过,在高浓度CO2条件下对两个品种及品系进行比较发现,“NIL-APO1”的茎秆NSC含量比“越光水稻”低14%。

通过以上结果可以确认,在高浓度CO2条件下,“越光水稻”由于稻粒数量有限,通过高浓度CO2增加的光合作用产物无法输送至谷穗,所以留存在茎秆中,而“NIL-APO1”由于稻粒数量多,光合作用产物能快速输送至谷穗,因此产量明显增加(图2B)。

不同CO2浓度及不同品种和品系水稻的成熟期茎秆中所含的光合作用产物非结构性碳水化合物(茎秆NSC)的量(A),以及高浓度CO2条件下的“NILAPO1”增收机理(B)

图2:不同CO2浓度及不同品种和品系水稻的成熟期茎秆中所含的光合作用产物非结构性碳水化合物(茎秆NSC)的量(A),以及高浓度CO2条件下的“NILAPO1”增收机理(B)

文 客观日本编辑部

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