記者從中國農科院獲悉：近日，由中國農業科學院作物科學研究所童紅寧研究員領銜的研究團隊，破譯了國際關注近百年的水稻種質資源——“復粒稻”形成的遺傳基礎，揭示了植物激素油菜素內酯（BR）調控水稻穗粒數的機制，為培育高產水稻新品種提供了理論基礎和新路徑。北京時間3月8日凌晨，研究成果以長文形式在線發表于《科學（Science）》。
水稻是我國的主要糧食作物，也是全球超過一半人口的主糧，隨著全球人口的增長和耕地面積的不斷減少，提高水稻單產對保障全球糧食安全具有重要意義。在經歷了矮化育種（第一次綠色革命）和雜種優勢利用后，水稻單產有了大幅提升，但近些年水稻單產的提升逐漸進入“瓶頸期”。
“單產的突破依賴于水稻種質資源中重大基因的發掘利用，復粒稻便是這樣一種具有多粒簇生性狀的特殊的水稻種質資源?！敝袊r業科學院作物科學研究所所長、黨委副書記周文彬表示。
童紅寧告訴記者，上世紀三十年代起，印度、美國、日本等世界各國的遺傳學家陸續報道了這種獨特的水稻。與常見的單粒水稻不同，復粒稻通常會有三粒種子簇生在一起，有學者形象地稱之為“三粒奇”。在某些背景下，簇生會使得稻穗酷似麥穗，因此又有人稱之為“麥穎稻”。
這種獨特的表型意味著什么？
一般來說，水稻產量主要由三個要素決定，即畝穗數、穗粒數和粒重。
“我們知道畝穗數主要是由水稻的分蘗數決定、有效穗數決定，可以通過密植提高畝穗數，但是穗粒數和粒重很難通過栽培方式提升，所以這兩個性狀的遺傳機制的解析十分重要。而復粒稻的一個顯著特征即多粒簇生，換句話說穗粒數可能會多，有提高單產的潛力。”童紅寧解釋。
向著科學的高峰奮進，近年來很多科學家們對復粒稻開展研究，但多年努力最終只能將控制簇生的CL位點定位在6號染色體一個區間內，而一直未能定位到具體基因，復粒稻形成的遺傳機制成了未解之謎。
為了尋找目標基因，團隊研究人員另辟蹊徑，對復粒稻種質進行了大規?；瘜W誘變，創制了1萬份（約16萬個單株）復粒稻誘變株系，通過在田間逐一仔細鑒定穗部特征，從中篩選出2份不簇生的突變體株系，終于定位到發生突變的基因BRD3（植物激素油菜素內酯BR的一個代謝基因），在復粒稻中通過基因編輯將其敲除，簇生表型消失。
由于BRD3基因編碼BR代謝酶，研究人員進一步解析了BR如何調控穗粒數的分子通路：在水稻穗分枝過程中，會依次發育出“一級分枝分生組織”“二級分枝分生組織”“小穗分生組織”，這些分生組織的持續分化和轉化最終決定了穗粒數。實驗顯示，BRD3在水稻二級分枝分生組織部位被激活，導致了該部位BR含量減少，進而通過一系列生物學過程促進分生組織轉化調控因子RCN2的表達，延遲二級分枝分生組織向小穗分生組織的轉變，最終產生更多的水稻二級分枝，從而增加穗粒數。
“該研究是首次發現BR具有通過調控水稻穗二級分枝決定穗粒數的作用。”童紅寧介紹，由于復粒稻中BRD3僅在特定組織中被CL位點中的結構變異適度的激活表達，降低了BR含量從而使得穗粒數增多；同時，對粒重等農藝性狀并沒有任何影響，因此，最終表現為產量提升。田間試驗顯示，相對于非簇生對照，復粒稻二級枝梗數可增加35.2%，導致穗粒數增加28.2%，而其它產量性狀如穗數和粒重等都沒有顯著差異，最終產量可增加11.27%~20.96%。這一發現反映了BR的作用具有時空特異性，為破解水稻穗粒數和粒重之間的負相關平衡關系提供了新的技術路徑，也為未來水稻新品種改良、實現產量突破提供了可能。
簇生是一種在其他植物中也廣泛存在的表型特征。在上述研究基礎上，研究團隊通過對簇生辣椒和非簇生辣椒，以及具有簇生花的薔薇和非簇生花的玫瑰進行BR測量比較發現，和水稻一樣，簇生與非簇生之間具有類似的BR含量變化，這一結果暗示BR含量控制簇生的機制在大自然中可能具有普遍性。
“該研究發現組織特異性地抑制BR含量可以只增加穗粒數，而不影響粒重和品質，一定程度上破解了兩者之間的負相關平衡關系，是一種極有潛力的分子設計策略?！敝锌圃涸菏坷罴已笳J為，這個策略對于其它激素而言也具有參考意義，尤其是在植物體內具有動態轉運的激素如生長素和細胞分裂素等。未來應在作物中進一步加強植物激素空間分布調控的相關基礎研究，為理解多性狀的相互關聯與平衡機制，進而開展多性狀的協同改良奠定基礎，最終實現高產穩產并保障糧食安全。
