《科学》刊文：我国科研团队历时7年揭示复粒稻高产奥秘
转自：中国科技网
科技日报记者马爱平
3月8日，国际权威期刊《科学》刊发了中国农业科学院作物科学研究所研究员童红宁研究团队的最新成果。该成果破译了国际关注近百年的水稻种质资源“复粒稻”形成的遗传密码，揭示了植物激素油菜素甾醇调控水稻穗粒数的奥秘，为培育高产水稻新品种提供了理论基础和新路径。
“该研究发现组织特异性地抑制油菜素甾醇含量可以只增加穗粒数，而不影响粒重，一定程度上破解了两者之间的负相关平衡关系，是一种极有潜力的分子设计策略。”中国科学院院士李家洋认为，这个策略对于其他激素也具有参考意义，尤其是在植物体内具有动态转运的激素如生长素和细胞分裂素等。他表示，未来应在作物中进一步加强植物激素空间分布调控的相关基础研究，为理解多性状的相互关联与平衡机制，进而开展多性状的协同改良奠定基础，最终实现高产稳产并保障粮食安全。
从16万个单株筛选出2份不簇生的突变体株系
复粒稻是一种具有多粒簇生（聚集成团或成堆地生长）特点的水稻种质资源。自20世纪30年代被世界各国陆续报道以来，复粒稻因独特的表型引起了众多科学家的关注。科研人员开展大量研究，最终将控制簇生的染色体位点定位在6号染色体一个较大区间内，但一直未克隆到具体基因。因此，复粒稻形成的遗传机制始终是未解之谜。
论文通讯作者、中国农科院作科所研究员童红宁介绍，为了寻找目标基因，研究团队历时7年，对复粒稻种质进行了大规模化学诱变，创制了1万份（约16万个单株）复粒稻诱变株系。研究团队通过在田间逐一仔细鉴定穗部特征，筛选出2份不簇生的突变体株系，终于定位到发生突变的基因，在复粒稻中通过基因编辑将其敲除后簇生表型消失。进一步基因组测序发现，该染色体位点不仅包含了该突变基因，还包含了激活其表达的复杂染色体结构变异，这解释了其通过传统方法难以克隆到具体基因的原因。
“复粒稻历史悠久，早年间在连锁群构建中就被用作水稻6号染色体的重要表型标记。”中国科学院院士林鸿宣认为，近年来很多人对该表型性状开展研究，但相关调控基因克隆难度大，一直未成功。这项工作最终给出了答案，发现油菜素甾醇含量控制着这个表型，也说明从种质资源中挖掘基因资源是突破当前作物产量瓶颈的有效途径。
打破水稻穗粒数和粒重间“你多我就少”关系
研究人员进一步解析了油菜素甾醇如何调控穗粒数的分子通路。研究发现，在水稻穗分枝过程中，会依次发育出“一级分枝分生组织”“二级分枝分生组织”和“小穗分生组织”，这些分生组织的持续分化和转化最终决定了穗粒数。研究还首次发现，油菜素甾醇可以通过调控水稻穗二级分枝调控穗粒数。
田间试验显示，跟不簇生的对照比起来，该研究所采用的一份复粒稻的二级枝梗多了35.2%，这让每穗的谷粒数增加了28.2%。这一发现反映了油菜素甾醇的作用根据时间和空间的不同而有所变化，打破了水稻穗粒数和粒重之间“你多我就少”的关系，为未来水稻新品种改良、实现产量突破提供了可能。
“簇生是一种在其他植物中也广泛存在的表型特征。通过对簇生辣椒和非簇生辣椒，以及具有簇生花的蔷薇和非簇生花的玫瑰进行油菜素甾醇测量比较发现，和水稻一样，簇生与非簇生之间具有类似的油菜素甾醇含量变化，这一结果暗示油菜素甾醇含量控制簇生的机制在大自然中可能具有普遍性。”童红宁表示。
（中国农业科学院作物科学研究所供图）