gs3等位基因的功能缺失導(dǎo)致水稻甲烷排放減少和產(chǎn)量增加

#導(dǎo)讀
大氣甲烷是一種強(qiáng)效的溫室氣體，對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)僅次于二氧化碳。稻田是甲烷最大的人為源，占大氣甲烷總量的7-17%。溫暖、積水的土壤和土壤養(yǎng)分有利于微生物介導(dǎo)的產(chǎn)甲烷過程。為了減少甲烷排放，目前主要采取在耕作實(shí)踐和措施上的努力，但這可能面臨一些挑戰(zhàn)。為了滿足日益增長的人口的糧食需求和應(yīng)對(duì)全球變暖，減少溫室氣體和提高產(chǎn)量至關(guān)重要。本研究證明了水稻gs3等位基因的功能缺失，通過將更多的光合產(chǎn)物分配到籽粒而減少分配到根系中，導(dǎo)致了產(chǎn)甲烷菌的甲烷排放減少，并通過增加籽粒大小和重量增加了水稻產(chǎn)量。

#研究結(jié)果
在本研究中，通過引入水稻品種Shindongjin的gs3突變體等位基因，開發(fā)了一個(gè)近等基因系Milany360。這一基因系通過擴(kuò)大籽粒大小，將光合產(chǎn)物從根部轉(zhuǎn)移到籽粒，從而提高籽粒產(chǎn)量并降低甲烷通量。GS3基因是控制籽粒大小的基因，將光合產(chǎn)物更多的分配到籽粒，減少光合產(chǎn)物分配到根的比例，從而提高籽粒產(chǎn)量。
實(shí)驗(yàn)中對(duì)兩個(gè)水稻品種進(jìn)行了甲烷排放的比較，結(jié)果顯示Milany360的甲烷排放量比Saeilmi低16%。在抽穗期后，Milany360的甲烷累積排放量減少了37.5%。此外，實(shí)驗(yàn)還考察了減少氮肥投入對(duì)甲烷排放的影響，結(jié)果顯示在低氮條件下，Milany360的甲烷排放減少了24%。
通過分析根際土壤和根系內(nèi)部的微生物群落和基因表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)gs3等位基因的引入降低了甲烷排放，且在低氮輸入下表現(xiàn)為加性效應(yīng)。缺失gs3等位基因通過增強(qiáng)光合產(chǎn)物向地上部（籽粒）而不是向地下部（根系）的分配來增加庫強(qiáng)，從而減少根系分泌物的釋放。
綜上所述，研究證明攜帶gs3等位基因的Milyang360可以作為通過常規(guī)育種計(jì)劃管理甲烷排放的模式植物。應(yīng)用gs3等位基因效應(yīng)到水稻品種的甲烷排放量計(jì)算公式中，可望減少全球甲烷排放4.8 Tg。這為實(shí)現(xiàn)減少溫室氣體排放、降低氮肥投入并滿足全球糧食需求提供了一種有效的途徑。

#部分結(jié)果圖展示 圖1. 攜帶 gs3 等位基因的 Milyang360 的籽粒增大（a）、甲烷排放量減少(b)、可溶性糖在籽粒中提高而在根中降低(c)、以及土壤微生物的含量等數(shù)據(jù)(d-f)。  圖2.根系分泌物以及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)分析（a-b），gs3 和低氮輸入對(duì)甲烷排放的疊加效應(yīng)（c），產(chǎn)量和籽粒表型（d）,高低氮處理下灌漿相關(guān)的基因表達(dá)（e）,模式圖（f）

#研究方法
1.GS3基因引入：
·利用GS3KASP標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)記輔助回交，產(chǎn)生NIL Milyang360。
·在冬季溫室中加速選育過程，通過BC2F5植株的背景選擇確定近等基因系。
·利用Genotyping Array檢測Milyang360的滲入率。
2.田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理：
·在田間實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行水稻田間試驗(yàn)。
·通過密閉箱試驗(yàn)測定甲烷排放速率和累積排放量。
3.甲烷排放和土壤氧化還原電位測定：
·使用密閉箱采集氣體樣品，利用氣相色譜儀測定甲烷濃度。
·連續(xù)監(jiān)測土壤氧化還原電位。
4.植物生理性狀分析：
·測定水稻植株的可溶性糖和氮素含量，包括根系分泌物、根系和地上部分的有機(jī)碳、碳水化合物和有機(jī)酸含量。
5.宏基因組測序和qPCR分析：
·對(duì)Milyang360和Saeilmi的根際和根內(nèi)微生物群進(jìn)行宏基因組測序。
·通過qPCR對(duì)根際和根系內(nèi)部的產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌進(jìn)行定量。
6.基因表達(dá)分析：
·通過RNeasy Kit提取總RNA,合成互補(bǔ)DNA,使用qPCR分析基因表達(dá)水平。
7.土壤理化性狀評(píng)價(jià)：
·在試驗(yàn)小區(qū)對(duì)土壤pH、電導(dǎo)率、全氮、速效磷和速效鉀等進(jìn)行評(píng)估。
8.農(nóng)藝性狀測定：
·考察植株的農(nóng)藝性狀，包括光合速率、分蘗數(shù)、穎花數(shù)、株高、穗長、抽穗期和出米率。
9.甲烷排放量計(jì)算：
·使用IPCC提供的計(jì)算公式，考慮稻田類型、水分管理等因素，計(jì)算甲烷排放量。
 
#黍峰產(chǎn)品——植物冠層溫室氣體測量系統(tǒng)C-GHG
植物冠層溫室氣體測量系統(tǒng)（C-GHG）通過搭載高精度CH₄和N₂O痕量氣體分析器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量植物冠層的溫室氣體通量，同時(shí)還可以測量冠層光合、蒸騰、夜晚呼吸速率以及環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)包括不同型號(hào)，可用于田間作物原位全天測量或盆栽植物在可控光強(qiáng)下測量。該系統(tǒng)適用于植物生理生態(tài)、全球氣候變化、環(huán)境保護(hù)等研究領(lǐng)域。該系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)分析軟件，可以一鍵式分析計(jì)算溫室氣體（CH₄和N₂O）通量、冠層光合速率和冠層蒸騰速率等。該系統(tǒng)搭載的新一代高性能、便攜式痕量氣體分析儀采用光反饋-腔增強(qiáng)吸收光譜（OF-CEAS）原理實(shí)現(xiàn)高精度氣體濃度檢測。