南湖新闻网讯（通讯员 熊海燕）北京时间7月23日晚，华中农业大学熊立仲教授团队在国际学术期刊《细胞》（Cell）在线发表题为“An Oryza orphan gene confers trans-species drought tolerance”的研究论文。该研究鉴定出一个名为“ROAD1”的稻属特异抗旱孤儿基因，并发现携带其功能等位基因ROAD1^C的水稻在田间干旱条件下产量较对照显著提高；此外，ROAD1在拟南芥、油菜、玉米、小麦和杨树等多种受试植物中展现出跨物种抗旱应用潜力。

图1. ROAD1介导跨物种抗旱的作用模式

干旱是威胁全球作物生产和粮食安全的重要环境因素。植物体内拥有一套经典的抗旱信号系统（ABA信号通路），其核心组分在不同植物中高度保守，广泛参与植物的生长发育和环境响应等关键过程。然而，直接干预这些核心组分往往会引发植物生长抑制、产量下降等副作用。因此，如何在不影响植物正常生长的前提下精准提高其抗旱能力，成为亟待解决的重要科学问题。

图2. 水稻抗旱基因ROAD1的遗传鉴定、功能验证及进化分析

研究团队以240份水稻种质资源为材料，成功鉴定出一个稻属特有的“孤儿基因”——ROAD1。这类基因仅存在于特定物种中，缺乏可检测的远缘同源基因。研究发现，携带功能等位基因ROAD1^C的水稻在干旱胁迫下叶片卷曲程度较轻，产量损失更小。进化分析表明，ROAD1可追溯至南方野生稻Oryza meridionalis中的祖先序列。在后续演化过程中，逐步形成功能等位基因ROAD1^C。群体遗传分析进一步显示，ROAD1^C在粳稻驯化过程中受到选择，并在来源于降水量相对较少地区的粳稻材料中呈现较高频率。

ROAD1是如何在不影响水稻正常生长的情况下发挥抗旱作用的呢？研究发现，在水稻的抗旱信号通路中，OsPP2C68蛋白扮演着“刹车”作用，当植物在水分供应充足条件下生长时，会抑制抗旱反应。而在干旱来临时，ROAD1蛋白会大量积累并与OsPP2C68结合，解除OsPP2C68的“刹车”作用，进而增强植物的抗旱响应。

图3. 功能等位基因ROAD1C提高水稻水分受限条件下的产量

巧妙的是，ROAD1蛋白如同一种“胁迫依赖型增强因子”，在水分充足时，其蛋白水平极低，不影响正常生长；只有在干旱胁迫下才会大量积累并发挥作用。这种“按需启动”的机制，完美兼顾了水稻的抗旱性与稳产性。

为验证ROAD1的实际应用价值，研究团队将功能等位基因ROAD1^C导入优良水稻品种中进行田间测试。结果显示，在干旱条件下，携带ROAD1^C的近等基因系的水稻产量较对照提高约21%至35%，而在正常供水条件下，未观察到明显的生长和产量不利变化。

更令人振奋的是，由于抗旱信号的核心模块在植物界高度保守，研究团队将ROAD1基因导入拟南芥、油菜、玉米、小麦和杨树中，均发现这些植物表现出更好的抗旱性。这意味着，这一源自水稻的基因有望成为多种农作物的“跨物种抗旱利器”。

图4. 异源表达ROAD1增强多种受试植物的抗旱性

该研究不仅回答了植物如何通过新基因适应环境的科学难题，更为未来的农业抗旱育种提供了宝贵的基因资源和研究思路。

中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康认为，全球气候变暖背景下，干旱灾害风险不断加剧。如何在提高作物耐旱性的同时保持产量稳定，是保障粮食安全和推进种业振兴亟待解决的重要问题。脱落酸（ABA）信号通路是植物耐旱的核心调控通路，但直接改造其核心基因，往往会造成生长受抑和产量降低。华中农业大学熊立仲教授团队发表于Cell的研究从水稻自然变异中发现了稻属特异孤儿基因ROAD1，系统解析了其进化起源、作用机制和育种应用潜力。研究表明，ROAD1可追溯至约120万年前南方野生稻中的祖先序列，功能等位基因ROAD1^C在粳稻驯化过程中受到选择，并在北方低降水稻区呈富集趋势，说明新近产生的孤儿基因可以成为作物适应区域干旱的重要遗传资源。机制上，ROAD1蛋白直接结合ABA信号通路负调控因子OsPP2C68，减弱其对SnRK2激酶的抑制，从而增强干旱条件下的抗逆响应。ROAD1蛋白在正常条件下丰度较低，而在干旱胁迫下明显积累。这种胁迫依赖的调控方式，为协调作物抗旱性与正常生长提供了新的机制解释。多年度、多环境田间试验显示，将功能等位基因ROAD1^C导入优良水稻恢复系后，在水分受限条件下，近等基因系产量较对照提高约21%–35%；在正常供水条件下，未观察到明显的生长和产量不利变化。此外，异源表达ROAD1还改善了拟南芥、油菜、玉米、小麦和杨树的抗旱相关表型，显示出跨物种应用潜力。该研究建立了从进化起源、分子机制到田间评价和跨物种验证的完整证据链，深化了对孤儿基因参与植物环境适应的认识，也为发掘抗旱基因资源和培育抗旱稳产作物提供了新的思路。

中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员林鸿宣表示，干旱是制约水稻生产和威胁粮食安全的重要非生物逆境，长期以来，作物抗旱改良面临一个突出难题，即抗旱信号的持续增强往往伴随生长抑制和产量下降。华中农业大学熊立仲教授团队从水稻自然变异中鉴定出稻属特异孤儿基因ROAD1，系统解析了其起源演化、自然变异、耐旱机制并评估了育种应用潜力。该研究的重要创新在于，将进化上新近产生的谱系特异基因与植物中古老而保守的ABA信号通路联系起来，揭示了ROAD1通过结合负调控因子OsPP2C68，减弱其对SnRK2/SAPK激酶的抑制，从而增强干旱条件下的抗逆反应。这说明新近产生的基因可以利用已有的保守信号网络，形成新的环境适应功能，为理解作物在进化和驯化过程中如何获得抗逆性提供了一个很好的范例。值得肯定的是，这项工作没有停留在基因功能和分子机制层面，而是将功能型等位变异ROAD1^C导入优良水稻品种中，并开展了盆栽、小区、中区和大区等多尺度试验。在本研究设置的田间干旱条件下，ROAD1^C产量相较对照增加约21%至35%，正常供水条件下未观察到对生长和产量产生明显的不利影响，体现了这一基因具有重要的抗旱育种应用潜力。另外，值得关注的是，ROAD1在拟南芥、油菜、玉米、小麦和杨树等多种植物中均表现出增强抗旱能力的作用，说明物种特异的新基因可以调用不同植物共有的保守信号模块。这是一项将适应性进化、分子机制与田间育种评价有机结合的突破性成果，为发掘作物基因组中的新基因资源和培育抗旱作物提供了新的思路。

英文摘要：Drought threatens crop productivity, yet enhancing tolerance often compromises yield. Abscisic acid (ABA) signaling is central to drought response, but its deep conservation can constrain adaptive flexibility. Here, we identify ROAD1 (rice orphan gene adapted for drought 1), an Oryza-specific orphan gene that confers robust drought tolerance without obvious growth defects under normal conditions. ROAD1 originated from Oryza meridionalis, and its functional allele, ROAD1C, was selected during japonica domestication. In field trials, elite rice lines carrying ROAD1C exhibited up to 34.75% higher grain yield than corresponding controls under drought. Mechanistically, ROAD1 bypasses the canonical ABA receptor-ligand complex by binding the phosphatase OsPP2C68, preventing sucrose non-fermenting 1-related protein kinases 2 (SnRK2) dephosphorylation and activating downstream responses. ROAD1 also interacts with protein phosphatase 2C (PP2C) orthologs from maize, wheat, and Arabidopsis, and heterologous expression of ROAD1C enhances drought tolerance in Arabidopsis, rapeseed, maize, wheat, and poplar. These findings reveal that an Oryza-specific orphan gene can co-opt conserved signaling for potential trans-species drought tolerance.

链接：https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)00803-2