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生物通报道，台湾中央研究院分子生物研究所特聘研究员余淑美实验室于10月6日发表国际重要论文Coordinated Responses to Oxygen and Sugar Deficiency Allow Rice Seedlings to Tolerate Flooding，发现水稻耐淹水的关键基因，揭开数千年来所有穀类作物中，只有水稻种子可在水中发芽及成长的秘密。

 

这篇研究的发现，对于目前全球种植水稻以淹水方式防治杂草，以及促进其他作物耐淹水的育种等范畴，都有重大影响。

 

论文刊登在国际专业期刊「科学讯息传递」(Science Signaling)，该期刊隶属于国际顶尖期刊「科学」(Science)集团，专门以报导有关分子生物、神经科学、微生物、生理学与医学、细胞生物学等领域的最前端创新性论文为主。论文第一作者李国维是余淑美研究员的博士生，目前就读于国防医学院生命科学研究所博士班。

 

研究团队指出，淹水是一个全球性的重大灾害，通常导致作物缺氧而停止生长甚至死亡，因此造成严重的农业损失。水稻是唯一耐淹水的主要作物，但是分子机制一直未被破解。

 

本篇论文重要的贡献是清楚呈现「蛋白激酶」(CIPK15)为调控水稻耐淹水的关键基因。研究团队发现，当水稻种子在淹水状态下，将缺氧讯息传递到CIPK15，接着再调控细胞内具有监测能量多寡及感应逆境的多功能蛋白激酶(SnRK1A)，然后透过糖讯息传递途径在水稻种子内大量製造淀粉水解酶(amylase)将淀粉转化成糖，同时大量制造酒精脱氢酶(alcohol dehydrogenase)将糖发酵产生能量(ATP)，使种子有足够碳水化合物及能量而能够在水中发芽。等小苗快速生长至水面可以呼吸更多空气后，根部以同样原理制造碳水化合物及能量，而使植株可在半淹水稻田中生长。其他穀类作物及杂草并无这些能力，因此无法在水中发芽及生长。

 

余淑美研究员指出，水稻不怎么喜欢淹水，但是可以忍耐淹水。因此，传统稻农的智慧是利用淹水方式去除杂草，可以大量减少人工及除草剂。因而目前全球80％的水稻田，藉此耕种方式来生产足以养活全球近半数人口的稻米。

 

此篇论文发现CIPK15对水稻耕作乃至人类生活的高度贡献，由此可见。由于台风等天然灾害，常造成农作物淹水之重大损害，本研究也可以协助育出各种耐淹水作物，减少水损。

（生物通 小茜）

生物通推荐原文检索

Coordinated Responses to Oxygen and Sugar Deficiency Allow Rice Seedlings to Tolerate Flooding.

Kuo-Wei Lee1,6, Peng-Wen Chen2, Chung-An Lu3, Shu Chen4, Tuan-Hua David Ho5, and Su-May Yu6*

 

1 Graduate Institute of Life Sciences, National Defense Medical Center, Neihu, Taipei 114, Taiwan, ROC.

2 Institute of Agricultural Biotechnology, National Chiayi University, Chiayi City 600, Taiwan, ROC.

3 Department of Life Sciences, National Central University, Jhongli City, Taoyuan County 320, Taiwan, ROC.

4 Taiwan Agricultural Research Institute, Wufeng, Taichung 413, Taiwan, ROC.

5 Institute of Plant and Microbial Biology, Academia Sinica, Nankang, Taipei 115, Taiwan, ROC.

6 Institute of Molecular Biology, Academia Sinica, Nankang, Taipei 115, Taiwan, ROC.

 

【Abstract】

Flooding is a widespread natural disaster that leads to oxygen (O2) and energy deficiency in terrestrial plants, thereby reducing their productivity. Rice is unusually tolerant to flooding, but the underlying mechanism for this tolerance has remained elusive. Here, we show that protein kinase CIPK15 [calcineurin B–like (CBL)–interacting protein kinase] plays a key role in O2-deficiency tolerance in rice. CIPK15 regulates the plant global energy and stress sensor SnRK1A (Snf1-related protein kinase 1) and links O2-deficiency signals to the SnRK1-dependent sugar-sensing cascade to regulate sugar and energy production and to enable rice growth under floodwater. Our studies contribute to understanding how rice grows under the conditions of O2 deficiency necessary for growing rice in irrigated lowlands.