gs3等位基因的功能缺失导致水稻甲烷排放减少和产量增加
一、导读
大气甲烷是一种强效的温室气体，对全球变暖贡献仅次于二氧化碳。稻田是甲烷最大的人为源，占大气甲烷总量的7-17%。温暖、积水的土壤和土壤养分有利于微生物介导的产甲烷过程。为了减少甲烷排放，目前主要采取在耕作实践和措施上的努力，但这可能面临一些挑战。为了满足日益增长的人口的粮食需求和应对全球变暖，减少温室气体和提高产量至关重要。本研究证明了水稻gs3等位基因的功能缺失，通过将更多的光合产物分配到籽粒而减少分配到根系中，导致了产甲烷菌的甲烷排放减少，并通过增加籽粒大小和重量增加了水稻产量。
二、研究结果
在本研究中，通过引入水稻品种Shindongjin的gs3突变体等位基因，开发了一个近等基因系Milany360。这一基因系通过扩大籽粒大小，将光合产物从根部转移到籽粒，从而提高籽粒产量并降低甲烷通量。GS3基因是控制籽粒大小的基因，将光合产物更多的分配到籽粒，减少光合产物分配到根的比例，从而提高籽粒产量。
实验中对两个水稻品种进行了甲烷排放的比较，结果显示Milany360的甲烷排放量比Saeilmi低16%。在抽穗期后，Milany360的甲烷累积排放量减少了37.5%。此外，实验还考察了减少氮肥投入对甲烷排放的影响，结果显示在低氮条件下，Milany360的甲烷排放减少了24%。
通过分析根际土壤和根系内部的微生物群落和基因表达，研究发现gs3等位基因的引入降低了甲烷排放，且在低氮输入下表现为加性效应。缺失gs3等位基因通过增强光合产物向地上部（籽粒）而不是向地下部（根系）的分配来增加库强，从而减少根系分泌物的释放。
综上所述，研究证明携带gs3等位基因的Milyang360可以作为通过常规育种计划管理甲烷排放的模式植物。应用gs3等位基因效应到水稻品种的甲烷排放量计算公式中，可望减少全球甲烷排放4.8 Tg。这为实现减少温室气体排放、降低氮肥投入并满足全球粮食需求提供了一种有效的途径。
三、部分结果图展示
图1. 携带 gs3 等位基因的 Milyang360 的籽粒增大（a）、甲烷排放量减少(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数据(d-f)。
图2. 根系分泌物以及转运蛋白表达分析（a-b），gs3 和低氮输入对甲烷排放的叠加效应（c），产量和籽粒表型（d）,高低氮处理下灌浆相关的基因表达（e）,模式图（f）
四、研究方法
1.GS3基因引入：
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-023-01872-5
#黍峰产品——植物冠层温室气体测量系统C-GHG
植物冠层温室气体测量系统（C-GHG）通过搭载高精度CH4和N2O痕量气体分析器，实现自动化测量植物冠层的温室气体通量，同时还可以测量冠层光合、蒸腾、夜晚呼吸速率以及环境参数。该系统包括不同型号，可用于田间作物原位全天测量或盆栽植物在可控光强下测量。该系统适用于植物生理生态、全球气候变化、环境保护等研究领域。该系统配有数据分析软件，可以一键式分析计算温室气体（CH4和N2O）通量、冠层光合速率和冠层蒸腾速率等。该系统搭载的新一代高性能、便携式痕量气体分析仪采用光反馈-腔增强吸收光谱（OF-CEAS）原理实现高精度气体浓度检测。
大气甲烷是一种强效的温室气体，对全球变暖贡献仅次于二氧化碳。稻田是甲烷最大的人为源，占大气甲烷总量的7-17%。温暖、积水的土壤和土壤养分有利于微生物介导的产甲烷过程。为了减少甲烷排放，目前主要采取在耕作实践和措施上的努力，但这可能面临一些挑战。为了满足日益增长的人口的粮食需求和应对全球变暖，减少温室气体和提高产量至关重要。本研究证明了水稻gs3等位基因的功能缺失，通过将更多的光合产物分配到籽粒而减少分配到根系中，导致了产甲烷菌的甲烷排放减少，并通过增加籽粒大小和重量增加了水稻产量。
二、研究结果
在本研究中，通过引入水稻品种Shindongjin的gs3突变体等位基因，开发了一个近等基因系Milany360。这一基因系通过扩大籽粒大小，将光合产物从根部转移到籽粒，从而提高籽粒产量并降低甲烷通量。GS3基因是控制籽粒大小的基因，将光合产物更多的分配到籽粒，减少光合产物分配到根的比例，从而提高籽粒产量。
实验中对两个水稻品种进行了甲烷排放的比较，结果显示Milany360的甲烷排放量比Saeilmi低16%。在抽穗期后，Milany360的甲烷累积排放量减少了37.5%。此外，实验还考察了减少氮肥投入对甲烷排放的影响，结果显示在低氮条件下，Milany360的甲烷排放减少了24%。
通过分析根际土壤和根系内部的微生物群落和基因表达，研究发现gs3等位基因的引入降低了甲烷排放，且在低氮输入下表现为加性效应。缺失gs3等位基因通过增强光合产物向地上部（籽粒）而不是向地下部（根系）的分配来增加库强，从而减少根系分泌物的释放。
综上所述，研究证明携带gs3等位基因的Milyang360可以作为通过常规育种计划管理甲烷排放的模式植物。应用gs3等位基因效应到水稻品种的甲烷排放量计算公式中，可望减少全球甲烷排放4.8 Tg。这为实现减少温室气体排放、降低氮肥投入并满足全球粮食需求提供了一种有效的途径。
三、部分结果图展示
图1. 携带 gs3 等位基因的 Milyang360 的籽粒增大（a）、甲烷排放量减少(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数据(d-f)。
图2. 根系分泌物以及转运蛋白表达分析（a-b），gs3 和低氮输入对甲烷排放的叠加效应（c），产量和籽粒表型（d）,高低氮处理下灌浆相关的基因表达（e）,模式图（f）
1.GS3基因引入：
- 利用GS3KASP标记进行标记辅助回交，产生NIL Milyang360。
- 在冬季温室中加速选育过程，通过BC2F5植株的背景选择确定近等基因系。
- 利用Genotyping Array检测Milyang360的渗入率。
- 在田间实验站进行水稻田间试验。
- 通过密闭箱试验测定甲烷排放速率和累积排放量。
- 使用密闭箱采集气体样品，利用气相色谱仪测定甲烷浓度。
- 连续监测土壤氧化还原电位。
- 测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机碳、碳水化合物和有机酸含量。
- 对Milyang360和Saeilmi的根际和根内微生物群进行宏基因组测序。
- 通过qPCR对根际和根系内部的产甲烷菌和甲烷氧化菌进行定量。
- 通过RNeasy Kit提取总RNA,合成互补DNA,使用qPCR分析基因表达水平。
- 在试验小区对土壤pH、电导率、全氮、速效磷和速效钾等进行评估。
- 考察植株的农艺性状，包括光合速率、分蘖数、颖花数、株高、穗长、抽穗期和出米率。
- 使用IPCC提供的计算公式，考虑稻田类型、水分管理等因素，计算甲烷排放量。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41558-023-01872-5
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