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Cell|华中农业大学鉴定ROAD1(孤儿基因)抗旱基因,并揭示其驯化选择与抗旱功能.

2026-08-07 20:10:39

2026年7月“Cell”杂志在线发表了华中农业大学熊立仲团队“An Oryza orphan gene confers trans-species droughttolerance”的研究论文，该研究论文鉴定到稻属抗旱特异基因“ROAD1”，携带ROAD1^C的功能等位基因水稻在田间干旱胁迫下产量较对照显著提高，同时在拟南芥、油菜中也表现出抗旱潜力。

以穗发育阶段为时间窗口，利用240份水稻材料的多样性群体，在田间干旱条件下以叶片卷曲评分（LRS）为生理指标，通过全基因组关联分析（GWAS）在第1染色体上定位到一个显著关联位点。进一步分析发现，先导SNP（sf01g7236023）位于基因LOC_Os01g13020启动子区，并与CDS区引入提前终止密码子的SNP8751处于强连锁不平衡。该基因同源序列仅在稻属AA基因组物种中存在，在其他物种及部分稻属物种中缺失，故命名为ROAD1。单倍型分析显示，ROAD1C由151个氨基酸构成，而ROAD1T仅编码10个氨基酸截短肽，且携带ROAD1C的种质表现出显著更强的耐旱性。通过在水稻品种KY131中构建过表达和敲除株系，并在盆栽及田间穗期干旱胁迫下验证，发现ROAD1过表达可显著降低LRS、提高结实率和籽粒产量，而敲除突变体则呈现相反表型。同时，正常生长条件下ROAD1对主要农艺性状无显著影响。

研究发现，ROAD1起源于野生稻O. meridionalis中的祖先序列，通过片段插入/缺失及终止密码子重塑，形成了现存的编码框，证实其为从头起源（de novo）的功能性蛋白编码基因。通过原生质体瞬时表达和过表达实验，排除了其作为非编码RNA的可能性，并严格验证了翻译起始位点。

在驯化选择分析中，利用大规模栽培稻群体基因组数据发现，功能性等位基因ROAD1C在粳稻中频率极高（98.21%），显著高于籼稻（77.6%）。其祖先型等位基因ROAD1T在普通野生稻中均有分布，且频率介于籼稻与粳稻之间。核苷酸多态性（π）与Tajima’s D检验显示，粳稻在ROAD1位点存在明显的选择性清除和定向选择信号。地理分布分析表明，ROAD1C频率与年降水量呈显著负相关（R²=0.78），提示该等位基因在粳稻向北方干旱区扩张过程中受自然选择驱动。最后，通过遗传互补实验，将ROAD1C与ROAD1T等位基因转入突变体背景，结果明确显示仅ROAD1C能够显著恢复突变体的耐旱性，降低离乳率并提高结实率和产量。综上，本研究提供了进化与功能学的多重证据，证明ROAD1C是赋予粳稻抗旱适应性的功能性等位基因。

ROAD1是一个干旱诱导表达的核定位蛋白，其基础表达水平低，但受干旱强烈上调表达。通过酵母双杂交筛选，研究者鉴定出OsPP2C68（PP2C-A家族成员，已知负调控ABA信号与抗旱性）为其特异性互作蛋白，并通过多种体内外实验（Y2H、Split-LUC、BiFC、Co-IP和pull-down）验证了二者在细胞核内的直接互作。

遗传学上，road1突变体表现干旱超敏感，而ospp2c68突变体抗旱增强；road1/ospp2c68双突变体完全模拟ospp2c68单突变体表型，证明OsPP2C68位于ROAD1下游。机制上，ROAD1通过竞争性结合OsPP2C68，阻断其与SnRK2（如SAPK9）的互作，从而抑制OsPP2C68对SnRK2的去磷酸化，保护SnRK2磷酸化水平，正调控ABA信号转导。ABA敏感性实验显示，ROAD1过表达株系对ABA超敏感，突变体则不敏感，且干旱下ABA响应标记基因（LEA3、RAB21）在过表达株系中显著上调。翻译后调控层面，ROAD1蛋白在正常条件下不稳定，干旱胁迫下积累，这解释了其不组成性激活ABA信号、不影响正常生长。结构分析表明，ROAD1为内在无序蛋白（IDP），其C端122-151区域是结合OsPP2C68及功能调控所必需。生理层面，干旱下ROAD1过表达株系气孔导度和蒸腾速率更低，水分利用效率更高，失水减缓；突变体则相反。综上，ROAD1通过干旱诱导积累，隔离OsPP2C68、释放SnRK2激酶活性，增强ABA信号，优化气孔调控，从而提升水稻抗旱性。

研究通过将来自抗旱恢复系“旱恢3号”的功能性等位基因ROAD1C导入携带非功能性等位基因ROAD1T的优良恢复系“粤恢998”中，构建了近等基因系（NILs）。在盆栽、小区（0.5 m²）、中区（2 m²）及大区（15.5 m²）等多尺度干旱胁迫试验中，携带ROAD1C的株系（NIL-ROAD1C）均表现出显著的抗旱优势：其叶片失水速率降低、水分利用效率提高，在干旱条件下结实率和单株产量显著优于对照NIL-ROAD1T。在人工控旱和自然雨养干旱两种处理下，NIL-ROAD1C的籽粒产量较对照分别提高20.81%和27.55%，大区验证中增产达34.75%。尤为重要的是，在正常灌溉条件下，两系在生长和产量上无显著差异，表明ROAD1C赋予的是胁迫特异性优势，不影响正常条件下的农艺表现。综上，多环境、多尺度的田间验证一致证明，ROAD1C等位基因能稳定提升水稻抗旱性，维持21%-35%的产量优势，是抗旱育种中极具价值的遗传资源。