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含有耐淹水Sub1基因水稻育種

  引用來源:Mackill, D.J., Ismail, A.M., Singh, U.S., Labios, R.V., & Paris, T.R. (2012).     彙整:劉雨蓁     點閱:236

問題在哪裡?

水稻栽培種(Oryza sativa)是由東南亞的O. rufipogonO. nivara兩個水稻品種馴化而來。而Oryza sativa水稻是熱帶河流流域和山谷理想的榖類作物,幾千年來水稻低地水稻一直是可持續和高產的耕作制度。然而,因每年季風的降雨量會使整條河流被淹滿,危害水稻最適合生長的環境。淹水會損害水稻每個生長階段,如在直播水稻田區域,播種後的強降雨會減少發芽率,並影響小苗的生長;在營養生長期間,水稻植株被淹沒超過4-7天,會導致作物死亡,且當這類型的降雨長達2週時會對稻田具有破壞性。另外,淹水損害的程度還會受強降雨後的高溫、混濁的水質及較低的太陽輻射等其他環境條件影響,而降低水稻被水淹沒後的調適能力。

這種類型的淹水影響亞洲約2000萬公頃的稻米種植面積(不包含中國)和非洲低地水稻生產的重要區域。稻田淹沒的受損程度很難準確估計,長期遭淹水危害稻田這問題,使農民面臨相當大的水稻種植風險,又大多數的氣候模型預測,氣候變遷會導致稻田淹水發生率增加,如原本不易發生淹水的巴基斯坦地區,水稻田也於2010年遭受破壞性淹水的危害。


採取的改善作為

國家水稻試驗研究所(International Rice Research Institute, IRRI)已於70年開始進行系統性耐淹水水稻品種鑑定的研究,將國際間數千個的水稻品種種植於淹水田區進行耐淹水品種篩選後,確定許多耐受性高的品種在淹水環境有超過75%的存活率,且大部分品種來自斯里蘭卡,其中一些斯里蘭卡品種已被廣泛用於進行耐淹水的雜交改良研究,如Goda Heenati、Kurkaruppan及Thavalu水稻品種。另外,IRRI還篩選出印度東部Orissa邦兩個淹水耐受性高的水稻品種FR13A和FR43B。FR13A和FR43B兩個品種分別是由農民純系傳統品種Dhalputtia和Bhetnasia篩選出,其中經幾個田區的試驗後,以FR13A有較強的耐淹水的特性。

並於90年利用DNA分子標誌技術分析耐淹水的遺傳基因表現,並從FR13A找出能控制耐淹水的基因片段SUB1,而具有SUB1基因片段的水稻品種被稱為「Sub1水稻品種」。直至2014年Sub1水稻品種的種植,在南亞就有500萬公頃的生產面積。


效果

由於SUB1是乙烯反應因子,其表達是受乙烯誘導。當作物浸泡於淹水中,會產生乙烯而誘導出這個基因。因為大多數植物在淹水環境會快速伸長葉片、葉鞘和節間,長時間的淹水會導致植物能量快速消耗而死亡;而SUB1基因反而會抑制植物的伸長,使植物在淹水後迅速恢復生長。

IRRI在南亞與東南亞進行Sub1水稻品種田間試驗,發現相較於親本,Sub1品種在淹水後有較高存活率與產量(圖1),在特定淹水試驗中,Sub1品種水稻可以獲得每公頃1至3.5噸以上的產量優勢,此外,水稻經淹水會出現開花和成熟延遲的現象,嚴重的話會延長至45天以上,但SUB1基因有可以縮短大約1至2週的開花和成熟延遲的優點,如2008年在印度Orissa邦的淹水試驗,抽穗後15天的淹水阻止非Sub1品種的開花,而Swarna-Sub1卻能在淹水後恢復開花,並有每公頃3.2噸的產量(圖2)。

此外,含由SUB1基因的Swarna-Sub1水稻品種還通過參與式品種選擇(participatory varietal selection, PVS)試驗,蒐集農民實際栽培於田間的相關資訊,包含當地物理條件和農民田間病蟲害管理方法,如印度西孟加拉邦Canningtown農民透過PVS投票選出最佳品種並將蒐集到數據回饋給研究人員(圖3)。

 

圖1 2009年試驗於IRRI乾季(dry seasons, DS)和濕季(wet seasons, WS)含有6對Sub1水稻品系平均的(A)存活率(B)穀粒產量,每季三重複。將21日齡幼苗浸於田間中15天(DS)和14天(WS),並在浸泡後21天確定存活。垂直線條表示LSD,P <0.05。(圖片來源:參考文獻1)

 

圖2 印度大約1000公頃的稻田因淹水而被完全破壞,在Orissa邦Puri區Turianbando村Swarna-Sub1水稻田附近,部分田區被重新移植流行的Pooja水稻品種,但這品種卻不會開花,而Swarna-Sub1水稻品種雖被2.5公尺深的水淹沒10天,然其產量每公頃仍有4.0噸。(圖片來源:參考文獻1)

 

圖3 (A)印度西孟加拉邦Canningtown農民透過參與式品種選擇(participatory varietal selection, PVS)投票選出最佳品種;(B)農民提供試驗水稻品系/品種反饋給研究人員。(圖片來源:參考文獻1)


參考文獻

1.Mackill, D.J., Ismail, A.M., Singh, U.S., Labios, R.V., & Paris, T.R. (2012). Development and rapid adoption of submergence-tolerant (Sub1) rice varieties. Advances in Agronomy, 115, 229-352.


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