申报单位：农业与生物技术学院 负 责 人：樊龙江
水稻是我国最主要粮食作物，目前生产中存在一些严重问题：一是除草剂用量越来越大，严重污染环境和增加农民生产成本。目前急需绿色控草，有机生产稻米；二是杂草稻等新型杂草近年大面积爆发，来源不明，无法控制；三是水稻育种技术急需突破，农民需要更加高产和优质的水稻品种。上述问题严重制约了我国水稻产量和质量提升。
本项目主要创新点：
1、首次明确我国杂草稻（俗称“鬼稻”）均来自栽培稻群体。栽培稻在平衡选择等遗传机制作用下发生了去驯化过程，产生杂草类型稻种。提出减少田间收获遗留、增加育苗移栽等控草措施。应邀为浙江省政府提供杂草稻调研和建议报告。
2、发现稻田稗草与水稻竞争分子机制，为稗草防控和水稻育种提供了重要遗传基础。稻田稗草通过基因簇合成防御性代谢产物丁布和稻壳素，进化出P450和GST超大基因家族等，与水稻进行竞争和获得除草剂非靶标抗性等。基于本研究结果，通过水稻育种可以明显提高水稻品种抑草能力，预期减少30-50%除草剂用量；稗草为C4植物，株型和生境与水稻一致，为C4水稻育种提供了绝佳C4途径模型。C4水稻育种预期可以提供水稻产量50%。
标志性成果：
作为通讯作者发表两篇《Nature Communications》论文:
Qiu et al. 2017. Genomic variation associated with local adaptation of weedy rice during de-domestication. Nature Communications, 15323, 10.1038/ncomms15323
Guo et al. 2017. Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed. Nature Communications, 1031, 10.1038/s41467-017-01067-5
本项目意义：
为增强水稻自身抑草能力，即高抑草水稻品种（所谓化感稻）和C4水稻育种选育指明了方向；为我国防控杂草稻提出理论指导和具体措施。
学术界和媒体报道：
本项目工作受到到学术界和媒体的广泛关注。其中一篇论文获得国际“Faculty of 1000”（F1000）推荐。推荐人给出2星评价（表示“Very good”），认为该研究对稻田稗草的极端竞争力给出了很好诠释。《人民日报》、《China Daily》、《科技日报》（头版）、《科学时报》、《环球科学》、《钱江晚报》（头版）等纸质媒体；央视网、新华网、科学网、搜狐网等知名网络媒体进行了广泛报道。入选浙江大学“科学封面”（第10期，2017年10月27日）。
“稻田水浅，江湖水深。”走在秋天的田埂上，浙大农学院的樊龙江教授发出感叹。他左边的稻田稻穗金黄饱满，而右边则是一番惨象，零星的水稻被杂草强势围攻，难觅踪影。为了搞清楚这场“江湖”之争，樊龙江团队对田间头号杂草——稗草进行了全基因组测序和水稻化感互作实验，找到了稗草与水稻相争的“秘密武器”，并对水稻育种指出了一种新的基因资源。
10月18日，相关研究论文Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed（www.nature.com/articles/s41467-017-01067-5）在Nature Communications在线发表。该研究前后历时6年，共有来自5个国家16个研究团队参与研究。中国水稻所郭龙彪研究员和浙大邱杰博士为论文共同第一作者，通讯作者为樊龙江教授和湖南省农科院柏连阳研究员。
发现“秘密武器”
我国农田中，稗草居15种危害严重的杂草之首。目前来说，防范这种杂草必须依靠喷施化学除草剂。
稗草和水稻亲缘关系不算近，相比之下，它与玉米和小麦关系更近。但不知从什么时候起，稗草却和水稻伴生在一起了，而且在外形、生长期和营养的需求，与水稻越来越接近，麻烦也越来越大。今年3月，美国科学家牵头国际杂草基因组协作组织（International Weed Genome Consortium, IWGC）组织第一次会议，来自七大洲的科学家确定了10个最优先需要开展基因组测序的单双子叶杂草清单，稗草位列Ten Most Wanted之首。
图：IWGC确定的10个优先开展基因组研究的单双子叶杂草（名单后附），其中稗草是重中之重的“通缉”对象（引自Karl Ravet）
樊龙江是作物科学研究所的专家，为了弄清通缉犯的套路，他决定变成“卧底”去探探。他希望通过基因组测序，在植物间寻找化感作用的相关线索。
植物化感作用简单的说就是植物的“化学武器”。生长过程中，植物会向环境释放特定的防御性化学物质，从而影响邻近植物生长。这种“化学武器”因为是内源性的，生态友好，所以在农业生产中被广泛用来杂草防控。之前研究的研究显示，水稻自身会分泌一种稻壳素，帮助其与稻田杂草（如稗草）竞争。
樊龙江团队通过基因组研究发现，稗草能分泌一种叫丁布的次生代谢产物，可以明显抑制水稻生长。他们在基因组研究中找到了能合成丁布的三个基因簇。在与水稻混种时，该基因簇会快速启动“制造”丁布。樊龙江说，丁布是稗草独有的秘密武器，而水稻没有。并且，水稻的“杀手锏”稻壳素，稗草也能合成。
因此，不倚仗除草剂的威力，水稻绝对“斗”不过稗草。
稗草“逆袭”
探清稗草“家底”，樊龙江又从“卧底”还原成作物学家，从水稻育种的角度想到了一件事。
盖茨基金会自2008年以来一直资助多个科学机构开展C4（碳4）水稻育种研究。水稻为C3（碳3）植物，而玉米、高粱等作物为C4作物。C4植物的光合效率要高出很多。科学家们一直希望能创制出C4水稻品种，从而提高水稻产量。
樊龙江说，可以利用稗草基因资源为水稻育种服务。稗草是典型的C4植物，与水稻有着相同的生境和株型，对于C4水稻育种来说是非常理想的模式植物和C4途径基因供体。“比如，我们可以先把稗草C4途径关键基因一个个导入水稻中，通过杂交方式将基因聚合，来看看这样聚合的水稻光合效率是否会提高，水稻的产量是否会明显提高？”相关的实验正在进展中，樊龙江说：“我希望稗草能‘逆袭’成功，成为水稻育种家门的掌上明珠。”
附：10种田间杂草中文名和拉丁文名
稗草Echinochola crus-galli；假高粱Sorghum halepense；黑麦草Loliumperenne；杂草稻Oryza sativa f.spontanea；看麦娘Alopecurusmyosuroides；二穗短柄草Brachypodiumdistachyon；反枝苋Amaranthus retroflexus；豚草Ambrosia artemisiifolia；扫帚苗Kochiascoparia；小飞蓬Conyza Canadensis。
项目负责人：
农业与生物技术学院 樊龙江教授
浙江大学作物科学研究所教授，作物遗传育种专业博导，生物信息学与数量遗传方向负责人，浙江大学中美作物分子育种联合实验室副主任；生物信息学研究所教授，生物信息学专业博士生导师，副所长，浙江省生物信息学会副理事长。教育部新世纪优秀人才，德国DAAD访问学者。主要研究领域为农作物基因组
非编码RNA表观遗传及其生物信息方法，主要围绕水稻遗传育种开展研究，包括育种选择、水稻-杂草互作竞争分子和进化机制等研究。取得的成绩主要包括：（一）、作为通讯作者，近5年（2012-2017）发表高影响因子（IF>5.0）SCI论文12篇，其中《Nature Communications》2篇、《New Phytologist》3篇、《Plant Physiology》1篇、《Molecular Plant》1篇、《Plant Journal》2篇、《Bioinformatics》1篇。12篇论文平均影响因子8.12，其中《Nature Communications》1篇论文被国际公认学术评价平台F1000推荐；主编《生物信息学》教材一本，主编《作物科学方法》等专著2本。承担浙江大学研究生和本科生的《生物信息学》和《植物基因组学》教学任务，受到学生欢迎和喜爱；（三）近5年主持国家自然科学基金重大研究项目（培育项目）2项，国家973项目子课题3项，国家863子课题1项，国家基金面上1项，重大横向项目2项，浙江省基金重点项目1项。
研究团队：
项目负责人课题组成员：叶楚玉副教授、陈曦讲师、邱杰助理研究员
参与该研究合作团队：
本研究历时多年，共有来自5个国家近20个研究团队参与研究。
校内团队：舒庆饶教授（作物科学所）、娄永根教授（昆虫研究所）、章初龙教授（生物技术研究所）
国内团队：郭龙彪研究员、陆永良研究员（中国水稻所）、葛颂研究员（中科院植物所）、孔垂华教授（中国农业大学）、柏连阳研究员（湖南农科院）
国外团队：美国弗吉尼亚大学Michael Timko 教授、日本东京农大Yamaguchi教授等、东京大学Okada等、韩国首尔大学Kim DS教授、德国基尔大学蔡大广教授等。
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