Rice leaf structural adjustment to sustain photosynthetic traits under drought and produce more grain: evidence from field studies of the 3K indica panel
Jolly Chatterjee · Mary Jacqueline Dionora · Ma. Rebecca Laza 等 13 人
通过田间试验和无人机高通量表型分析，研究水稻叶片结构在干旱下维持光合并增产的机制。
利用3K水稻基因组、无人机表型、GWAS分析叶片形态与光合性状。
干旱下叶片增厚与维持水势可维持光合，提高抗旱指数和产量，发现7个QTL。
可进一步研究叶片结构可塑性相关基因调控网络，结合基因编辑优化抗旱育种策略。
基于3K水稻基因组的大规模田间研究，揭示叶片结构适应干旱的机制，对育种有重要指导意义。
了解植物在干旱条件下维持生理活动的性状特征，对于实现水稻可持续生产至关重要。本研究在两年田间旱季条件下，对超过600份籼稻基因型进行了叶片形态特征、基于无人机的高通量表型（HTP）测量（包括冠层温度（CT）、归一化植被指数（NDVI）、叶片水势（ψLeaf））、光合性状（如净光合速率A、气孔导度gs、蒸腾速率E和胞间CO₂浓度Ci）以及干旱响应指数（DRI）的测定。该数据集来源于3K水稻基因组测序计划材料，在充分灌溉（WW）和人工控水干旱胁迫（MDS）条件下获取，揭示了干旱诱导的叶片形态-功能交互变化及其与干旱条件下籽粒产量的关系。干旱发生导致Ci降低约14%~20%，A降低35%~56%，从而造成严重的产量损失。基于两年田间旱季数据的相关性分析表明，初始叶片较宽且能在干旱响应中增加叶片厚度（以比叶面积SLA的变化为证据）的性状组合，加上维持较高的ψLeaf以支持更高的净光合速率A，可共同驱动更高的DRI值。在表现最优的高DRI基因型中，严重干旱胁迫下SLA变化幅度甚至可达约50%。全基因组关联分析（GWAS）鉴定出7个与DRI相关的数量性状位点（QTL），其中包含已知的干旱响应水通道蛋白、脱水素和热激蛋白基因，这些位点与第7号染色体上CT的GWAS区间重叠。本研究初步揭示了一条将基因组位点与干旱条件下水分平衡、叶片发育及光合相关性状联系起来的潜在通路。我们的研究结果为筛选优良水稻基因型提供了机会，通过机制性探索加深了对干旱条件下提高水稻籽粒产量的理解，同时通过选择最优单倍型组合或基因编辑为抗旱育种工作提供支持。