水稻的“水下生長”絕技——深水區(qū)品種特有的節(jié)間伸長能力，其核心秘密就在于 SNORKEL基因的發(fā)現(xiàn)。這項發(fā)現(xiàn)是植物適應性進化和作物遺傳改良領域的一個里程碑。
以下是關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵信息：
背景：水稻的洪水困境
- 普通水稻（低地或高地品種）在深水淹沒（尤其是完全淹沒）時，會因為缺氧、光照受阻和能量耗盡而死亡。這對水稻生產(chǎn)，尤其是在東南亞、南亞等易發(fā)洪澇災害的地區(qū)，構(gòu)成了嚴重威脅。
- 然而，一些特定的深水稻品種（如印度品種FR13A的后代或一些東南亞地方品種）在遭遇洪水時，能夠啟動一種驚人的生存策略：莖稈節(jié)間（節(jié)點之間的部分）會極其快速地伸長。這使得植株能夠?qū)⑷~片和生長點（分蘗芽、穗）推出水面，重新獲得氧氣和光照，進行光合作用，從而存活下來并最終結(jié)實。
SNORKEL基因的發(fā)現(xiàn)
- 日本科學家名古屋大學的松岡信（Makoto Matsuoka）教授領導的研究團隊是這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵貢獻者。
- 他們通過遺傳學分析（如數(shù)量性狀位點定位），在深水稻品種中尋找控制這種洪水誘導節(jié)間快速伸長能力的基因。
- 最終，他們在水稻的第1號和第12號染色體上鑒定并克隆了兩個關(guān)鍵的基因，命名為 SNORKEL1 和 SNORKEL2。
SNORKEL基因的功能機制
- SNORKEL1和SNORKEL2屬于乙烯響應因子家族，是轉(zhuǎn)錄因子。
- 當洪水淹沒發(fā)生時，植物體會積累植物激素乙烯（因為氣體擴散受阻）。
- 積累的乙烯會激活SNORKEL1和SNORKEL2基因的表達。
- 激活的SNORKEL蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）會結(jié)合到下游靶基因的啟動子上，開啟這些基因的表達。
- 這些下游基因主要參與赤霉素的合成途徑。赤霉素是促進細胞分裂和伸長的關(guān)鍵激素。
- 因此，SNORKEL基因的激活最終導致了赤霉素水平在節(jié)間分生組織區(qū)域的急劇升高，刺激了節(jié)間細胞的快速分裂和伸長，使得莖稈能夠在幾天內(nèi)迅速伸長，將植株頂部推出水面。這個過程形象地被比喻為水稻給自己“踩高蹺”。
SNORKEL與SUB1的對比
- 另一個著名的水稻耐淹基因是SUB1A。它賦予水稻的是耐淹（耐完全淹沒）能力，而非伸長能力。
- SUB1A的作用機制是啟動一種“節(jié)能休眠”策略：在淹沒期間減緩代謝、抑制生長（包括抑制節(jié)間伸長），以節(jié)省能量消耗，等待洪水退去后恢復生長。適合短期（1-2周）的完全淹沒。
- SNORKEL則是主動“逃生”策略：通過快速伸長逃離水淹環(huán)境，適合較長期的深水淹沒（水位可能持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月上漲）。
- 這兩種策略代表了水稻應對洪水的兩種截然不同但都非常有效的進化適應方式。
科學意義與應用價值
- 基礎研究意義：揭示了植物感知環(huán)境脅迫（洪水）并通過激素信號通路（乙烯→SNORKEL→赤霉素）調(diào)控生長發(fā)育進行適應的分子機制，是植物環(huán)境生物學和進化生物學的經(jīng)典案例。
- 作物改良價值：
- 培育深水耐澇水稻：將SNORKEL1和SNORKEL2基因通過分子標記輔助選擇或轉(zhuǎn)基因技術(shù)導入高產(chǎn)但易受水淹影響的優(yōu)良水稻品種中，可以顯著提高這些品種在深水環(huán)境下的生存能力和產(chǎn)量。
- 應對氣候變化：隨著全球氣候變化導致極端天氣事件（如暴雨洪澇）頻率和強度增加，培育具有SNORKEL基因的耐深水水稻品種對于保障全球糧食安全，特別是在洪泛平原和三角洲地區(qū)，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。
- 基因資源利用：SNORKEL基因的發(fā)現(xiàn)為理解植物莖稈伸長的調(diào)控網(wǎng)絡提供了新的切入點，對其他作物（如玉米、小麥）莖稈相關(guān)性狀的改良也可能有啟發(fā)作用。
總結(jié)來說：
水稻深水品種的“水下生長”絕技——洪水誘導的節(jié)間快速伸長，其核心遺傳基礎是SNORKEL1和SNORKEL2基因的發(fā)現(xiàn)。這兩個基因作為乙烯信號通路下游的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，通過激活赤霉素合成途徑，驅(qū)動莖稈節(jié)間的細胞快速分裂伸長，使水稻能夠“逃離”水淹環(huán)境。這一發(fā)現(xiàn)不僅深刻揭示了植物適應逆境的分子機制，更為培育高產(chǎn)、耐深水的水稻新品種提供了強大的基因資源和理論基礎，對于應對洪澇災害和保障糧食安全具有重大意義。SNORKEL基因的發(fā)現(xiàn)，是水稻科學家從自然智慧中汲取靈感并用于解決人類糧食挑戰(zhàn)的典范。
