“科研人員發現，和單粒水稻相比，同樣種植面積的復粒稻，可以增產11%-21%，但這并不是最終數據。”
如果生長一粒稻谷的地方，長出了多個稻谷，水稻會發生怎樣的變化？這不是科學幻想，在自然界，存在天然變異的復粒、簇生的水稻，但粒數增多往往會使稻粒變小、變輕，這種粒數和粒重負相關的現象如何解決？有沒有一種既多粒又不減重的水稻呢？
近日，一項新的研究揭開了這一謎題，來自中國農業科學院作物科學研究所的研究人員，找到了控制水稻多粒簇生的關鍵基因，并將簇生基因應用于育種改良促進水稻增產。成果在線發表于《科學（Science）》雜志。
復粒稻。中國農科院作科所供圖
多粒簇生的水稻，水稻增產的契機
簇生是植物中常見的特征，有莖的簇生、花的簇生、種子的簇生等，在糧食作物中，小麥具有籽粒簇生的特點，一個小穗中有多個麥粒。在蔬菜中，辣椒也會出現簇生現象，即人們常吃的朝天椒。
水稻中也有一種籽粒簇生的特異種質，被稱為復粒稻。
中國農科院水稻優異種質資源發掘與創新利用創新團隊負責人童紅寧介紹，關于復粒稻的報道，最早在上世紀三十年代就出現了，當時，印度、美國、日本等世界各國的遺傳學家陸續報道了一種獨特的水稻——復粒稻，又稱為簇生稻，與常見的單粒水稻不同，復粒稻通常三粒種子簇生在一起，所以也有學者稱之為“三粒奇”，此外，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”。
不過，我國水稻單產經歷快速增長期后，為什么現在已經到了產量瓶頸期很難再有大幅增產？童紅寧介紹，這是因為粒數和粒長、粒重之間存在負相關的關系，粒數增多，會使稻粒變小、變輕。
糧食產量有三要素，畝穗數、穗粒數、千粒重，任何一項的增加，都會帶來單產的提升，然而，三者之間并不是正相關的關系，如何找到最佳的平衡，是育種中重要的課題。尤其對復粒稻來說，如果能夠在增加穗粒數的同時，保持原本的粒重，必然會帶來水稻產量的飛躍。
上世紀五六十年代，國外的科學家就開始嘗試破解這一難題，我國科學家，也從上世紀九十年代開始研究復粒稻。然而數十年中，國內外的科學家們，將調控水稻簇生的基因，定位在了一個范圍內，但始終無法真正克隆出這一基因。這使得復粒稻的研究一直都難以突破關鍵的關口，也就無法真正幫助育種家們，育成可用于生產的品種。
自然界中的簇生現象。中國農科院作科所供圖
突破的契機，從植物激素開始
2017年，童紅寧進入作科所工作，研究一種名為油菜素甾醇的植物激素，它最早是在1979年從油菜花粉中提取的，但事實上它不只在油菜中存在，而是普遍存在于各種植物中。油菜素甾醇被稱為第六大植物激素，廣泛用作植物生長調節劑。
“開始研究復粒稻，是一個巧合。”童紅寧介紹，使用油菜素甾醇的方法，主要是通過田間噴施，他則希望能夠解析油菜素甾醇的運作機制，通過植物自身對油菜素甾醇的調控改良性狀，而復粒稻無疑是一個合適的對象。
在創制了復粒稻的實驗材料之后，童紅寧推斷，水稻簇生現象的產生，一定和油菜素甾醇有關，破解復粒稻機制的關鍵，很可能就在油菜素甾醇上。
“水稻穗有一個主干，主干上有分支，叫做一級枝梗，一級枝梗上又有分支，叫二級枝梗，小穗通過花柄連接在二級枝梗上，每個小穗對應一個種子。”童紅寧介紹，“在研究中，我們發現，復粒稻的二級枝梗明顯增加了，最終導致單株的穗粒數能夠增加28%左右，如果水稻本身有200粒左右的種子，就能增加四五十粒。”
如何進一步找到導致二級枝梗增加的真正原因？科學家確定了簇生基因的大致范圍，但總是不能精準克隆出那個基因，一方面，可能是因為表型受到雙親基因的影響，導致表型不穩定，所以難以克隆。另一方面，也可能是它本身存在結構變異，導致無法精準識別和定位。
科研人員雨中插秧。中農科院作科所供圖
全新的策略，在16萬株中尋找
傳統的方法無法精準找到調控水稻簇生的基因，童紅寧和團隊成員們，開始尋找新的策略。
“科學家們通常都是從不變的材料中尋找變異的材料，找到導致變異的基因。”童紅寧說，“但當這樣的策略出現瓶頸和困難的時候，我們就想，能不能反向操作，在變異中尋找那個沒變的，研究它為什么沒變？”
團隊成員、中國農科院作科所博士張曉星是這項研究的參與者之一，他介紹，團隊最初用復粒稻創制了1萬份誘變的材料，在16萬株材料中，找到了2份不簇生的材料。
如何在16萬株水稻中，找到那個不簇生的回復突變體？這需要科研人員大量的田間工作，和多年職業訓練出來的敏感度，“實驗中，我們幾乎每天呆在田里，從幼苗到成熟，每一個階段，都要詳細調查每一份材料的變化。所以，在普通人看來，一片稻田里的水稻幾乎都差不多，但在我們看來，每一個細小的變化都非常明顯。”張曉星說。
從普通水稻變異為復粒稻，難以找到突變的基因，但反其道而行之時，復粒稻突變為正常水稻后，基因的定位變得相對簡單，“當我們利用基因編輯技術敲除這個基因，復粒稻就變回了單粒稻，這說明我們確實定位到了這個基因。”童紅寧說。
巧妙的變化，找到突變的機制
簇生基因究竟是怎樣調控水稻粒數的？童紅寧介紹，其實，這個基因并不是第一次被發現和研究，在此前的研究中，科學家們已經知道，它是一種降解油菜素甾醇的代謝酶，它多了，油菜素甾醇就會變少，反之亦然。
很顯然，在復粒稻中，由于某種因素，導致了油菜素甾醇的減少，但它如何調控油菜素甾醇的含量？為何粒數增多之后，稻粒的大小卻沒有變化？這些秘密依然等待揭開。
隨后，科研人員對復粒稻進行了基因組測序組裝，發現簇生基因前方，出現了一個染色體結構變異，正是這個變異使簇生基因在二級分枝中表達量上升，導致油菜素甾醇含量減少，最終使得稻穗的二級分枝變多，種子出現了簇生。
為什么是二級分枝，不是一級分枝，不是水稻的莖稈呢？水稻的莖本身是分蘗簇生的，為何它的增多，沒有讓水稻分蘗變多，而是讓種子變多了？
童紅寧介紹，這恰恰是這項研究的關鍵，也就是這一變異的時空特異性表達，科研人員采取了多種方式驗證，發現簇生基因，在特定時間、特定位置增加了特定的量，在這個特定時空外則是正常的。
“這其中涉及到一系列相關的變化，通過多個基因的共同影響，產生了兩個特定的變化，第一個是特定時間，它只在水稻穗分枝的時候增加，第二是特定空間，只在二級分枝前增加。”童紅寧說，“就好像一個在水流中安了一個水閘，當水閘關小，水就會在特定位置停留更多時間，那個位置的水也就更多。”
有趣的是，在染色體結構變異和特定基因表達量變化的共同作用下，在稻穗產生二級分枝過程中，簇生基因表達量增加了特定倍數，3-5倍，既不太多，也不太少，“對整個植株來說，這個增量特別合適，它足夠多，多到可以產生足夠的二級分枝，讓種子簇生。同時也不夠多，不會導致整個株形產生大的變化，也就是說，沒有別的副作用。”
研究首次揭示了油菜素內酯在水稻二級分枝過程中的重要調控作用。中國農科院作科所供圖
增產新途徑，復粒稻未來廣闊
一個稻穗上的小枝梗，從結一粒種子，到結出多粒種子，肉眼看不到的微觀世界里，發生了奇妙且巧合的變化。
“在適當的時間，適當的地方，出現了適當的變化。”童紅寧說，“眾多恰到好處的變化，使得水稻在一個小枝梗上，出現了多個稻粒，而因為它只在分枝過程中起作用，后面的開花、灌漿、結實期間，都不起作用，所以籽粒不會變小，這意味著，只要營養跟得上，粒重這個產量三要素之一，就不會有大的變化，粒重不變，籽粒變多，增產自然就實現了。”
和單粒的水稻相比，復粒稻究竟能增產多少呢？在前期的試驗中，科研人員發現，和單粒水稻相比，同樣種植面積的復粒稻，可以增產11%-21%，但這并不是最終數據，事實上，最終的增產情況，還要看真正育成品種的效果，童紅寧介紹，“在發現了復粒稻簇生的機制后，我們也在嘗試將這一機制運用到育種中，目前，育種試驗還在進行中，如果最終能夠育成更高產的品種，那無疑會給水稻單產的提升帶來新的契機。”
復粒稻與單粒稻對比。中國農科院作科所供圖
“油菜素甾醇發現四十多年，是生產中應用最廣泛的作物生長調節劑，它的許多功能都已經被解析，而新功能的發現，為糧食增產提供了新的契機。”華南農業大學教授儲成才表示。
中國科學院院士種康表示，該研究是植物激素重要的擴展和突破，在育種中，最重要的是找到一個多因素之間的平衡，而該研究發現了復粒稻簇生的機制，且找到了穗粒數和籽粒大小之間的平衡，在分子設計育種方面有重要的意義。
“攻克大家都難以攻克的難關，找到大家都找不到的基因，看起來巧合，但背后是科學家多年的堅持，科研工作需要久久為功，這正是科學家精神的體現。”中國科學院院士錢前說。
