沙蓬生理生态与遗传驯化研究获得新进展
发表日期:2024-08-29来源：
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沙蓬(俗称沙米，Agriophyllum squarrosum)是一种广泛分布于温带沙漠流动沙丘上的一年生草本植物，逆境适应性强，其种子营养价值均衡全面，可作为未来作物开发利用。中国科学院西北生态环境资源研究院赵鹏善课题组在沙蓬种质资源评价方面取得了一系列进展，为沙蓬遗传驯化和种质创新提供了新材料和新方法。
课题组报道了沙蓬偶发性三子叶现象，探讨了双子叶植物中偶发性三子叶的可能影响因素和育种应用，并从化学诱变突变体库中筛选出多个子叶数目变异突变体，为理解子叶数量的遗传控制基础奠定了材料基础。
课题组在化学诱变突变体库中筛选获得一株表皮毛减少的沙蓬突变体，结合测序定位和图位克隆，准确克隆了目的基因，通过筛选等位突变体，验证了基因克隆结果，并获得了一项国家发明专利授权。该研究成功建立了沙蓬突变基因克隆技术体系，证实了利用人工诱变快速削弱沙蓬野生性状、选育沙蓬单一驯化性状品系的可行性。
生长发育阶段及其标志性发育事件的确认是开展遗传学研究、建立表型变异和遗传控制基因之间因果关系的重要前提条件。基于国际BBCH编码系统，课题组定义了9个沙蓬生长发育阶段，涵盖了整个生活史，明确了标志性发育事件，建立了沙蓬BBCH编码系统。通过大田实验，验证了该编码系统的可行性，量化了各个主要阶段及其次级细分阶段的时间持续范围，为开展沙蓬种质资源评价、分子遗传学研究和遗传驯化建立了生长发育时期转换的表型参考标准。
下胚轴的可塑性伸长是沙蓬应对风蚀沙埋保障出苗的关键适应性状。课题组评估了6个人工选育沙蓬株系的出苗特征，基于偏最小二乘法模型，分析了来源地温度和降水、千粒重、种子萌发和出苗模式对沙蓬选育株系下胚轴长度变异的作用效应。该研究为进一步理解相同遗传背景下的表型不稳定性提供了重要遗传材料。
通过对沙蓬的先锋植物属性进行系统梳理，课题组分析了沙蓬野生种子的萌发特性，明确了沙蓬种子存在不同程度的生理性休眠，阐述了沙蓬适应流动沙丘的生理生态机制，为开展沙蓬遗传驯化和选育栽培适宜品系奠定了理论基础。
以上研究成果第一作者分别为西北研究院博士研究生冉瑞兰、硕士研究生刘雨洁，通讯作者为赵鹏善研究员和崔晓云副研究员。特别感谢国家自然科学基金项目、甘肃省重大专项、中国科学院西部之光交叉团队项目和中国科学院青年创新促进会优秀会员项目的资助。此外，偶发性三子叶的工作在线发表后得到了中国科学院（https://english.cas.cn/newsroom/research_news/life/202309/t20230926_377486.shtml#）、澳大利亚Mirage.News（https://www.miragenews.com/sand-rice-tricotyledony-genetic-and-1093529/）以及世界科技新闻门户网站phys.org（https://phys.org/news/2023-09-reveal-genetic-evolutionary-characteristics-tricotyledony.html）的关注和报道。
成果列表：
1.Ran, R., Li, X., Sun, H. Liu, Y., Chen, G., Zhao, P. (2024). Tricotyledony in sand rice (Agriophyllum squarrosum). Genet Resour Crop Evol, 71:529-537. https://doi.org/10.1007/s10722-023-01712-7.
2. Ran, R., Chen, G., Zhao, P. (2024). A BBCH-scale code for the phenology of sand rice (Agriophyllum squarrosum (L.) Moq.). Annals of Applied Biology, 1-10. https://doi.org/10.1111/ aab.12924
3. 赵鹏善, 陈国雄, 冉瑞兰, 等.一种表皮毛减少的沙蓬的磷酸酶突变蛋白及其应用[P].甘肃省:CN202310031974.5,2024-05-14.
4. Liu, Y., Cui, X., Li, X., Ran, R., Chen, G., Zhao, P. (2024). Phenotypic variation in hypocotyl elongation among elite sand rice (Agriophyllum squarrosum) lines. Ecology and Evolution, 14, e70051.10.1002/ece3.70051.
5. 刘雨洁，孙红，李晓凤，冉瑞兰，陈国雄，赵鹏善.（2024）. 流动沙丘先锋植物沙蓬种子库和萌发特性综述. 草业科学, 1-15[2024-08-29].
图1沙蓬、藜麦、菠菜偶发三子叶形态
图2 沙蓬野生型SPT与表皮毛减少突变体astcl1
图3 2023年皋兰站沙蓬生长季温度变化及沙蓬BBCH编码系统主要阶段时间持续范围
图4 沙蓬采样点的地理分布和当地气候条件以及选育株系的起源地
图5 流动沙丘沙蓬种子库分布形式（虚线为 20 cm 沙埋深度）
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