杂草中的稗草是水稻的“头号敌人”，其危害比水稻瘟菌更甚。但水稻也进化出了自己对抗稗草的“生化武器”——稻壳素。这是一种防御性的次生代谢产物，通过根系分泌，进而抑制周边稗草等植物的生长。
过去5年，浙江大学农业与生物技术学院教授樊龙江团队联合日本科学家团队努力攻关，首次揭示了相关基因在基因组上成簇排列是防御性化感化合物稻壳素合成的关键，同时证实这样的基因成簇进化事件在植物界已独立发生多次。该成果5月14日发表于美国《国家科学院院刊》。
稻壳素的产生机制
根据国际粮农组织估计，杂草每年造成损失达950亿美元。
为了更好应对以稗草为主的稻田杂草，农民种植一季稻谷至少要喷两次除草剂。“如果不喷除草剂，成熟季节稻田里就看不到水稻了。”樊龙江说。
因此，稻壳素的“生化武器”作用对未来育种具有重要价值。探究稻壳素的生成机制显得尤为必要。
目前已知植物中能产生稻壳素的只有水稻、大灰藓和稗草。科学家已分别在水稻和稗草产生稻壳素的机制中发现，基因成簇似乎是必要条件。
基因成簇是指，合成稻壳素的基因比较密集地排列在一起，呈簇状。樊龙江说：“基因簇在进化上有选择优势，快速合成，抵御外来影响。”
大灰藓要产生稻壳素，是不是也必须具备基因成簇？
中日科研人员通力合作，通过基因组学、酶学和基因功能研究发现，大灰藓基因组上稻壳素合成相关基因的确同样成簇存在，并参与稻壳素合成。基于已测序的100多个植物基因组序列大规模分析发现，目前在植物界中只有上述三个物种进化出稻壳素基因簇。
樊龙江说，很多植物都进化出了稻壳素合成相关基因，但是它们都不能合成稻壳素，因为这些物种的相关基因没有成簇，只是零散地分布在各条染色体上。所以，植物要合成稻壳素，基因簇的进化很重要。
物竞天择的独立进化
稻壳素合成的基因簇是从古老的祖先物种中遗传而来，还是各自独立进化？
研究发现，这是物竞天择的独立进化事件。“也就是说，未来还可能发现能产生稻壳素的其他植物。”樊龙江说。
稗草是恶性杂草，竞争力强。如不防治稗草，稻田就是它的天下。
既然水稻和其重要对手稗草都能分泌具有杀伤性的稻壳素，那么两者竞争孰强孰弱？为什么水稻还会败下阵来？
樊龙江团队早前的研究已经揭示，稗草还有一种秘密“生化武器”——丁布。科研人员正在筛选对丁布不敏感，但又能产生大量稻壳素的水稻品种，这将对未来绿色育种产生积极影响。“植物合成大量次生代谢产物，我们的研究对于认识这些物质合成和进化机制具有意义。”他说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1914373117
18926578588