近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所童紅寧研究員領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，破譯了國(guó)際關(guān)注近百年的水稻種質(zhì)資源“復(fù)粒稻”形成的遺傳基礎(chǔ)，揭示了植物激素油菜素甾醇（BR）調(diào)控水稻穗粒數(shù)的機(jī)制，為培育高產(chǎn)水稻新品種提供了理論基礎(chǔ)和新路徑。研究成果以長(zhǎng)文形式在線發(fā)表于《科學(xué)（Science）》。
復(fù)粒稻是一種具有多粒簇生特點(diǎn)的水稻種質(zhì)資源，自二十世紀(jì)三十年代被世界各國(guó)陸續(xù)報(bào)道以來(lái)，因其獨(dú)特的表型引起了眾多科學(xué)家的關(guān)注，開展了大量研究，最終將控制簇生的 CL 位點(diǎn)定位在6號(hào)染色體一個(gè)較大區(qū)間內(nèi)，但一直未克隆到具體基因，復(fù)粒稻形成的遺傳機(jī)制始終是未解之謎。
為了尋找目標(biāo)基因，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)粒稻種質(zhì)進(jìn)行了大規(guī)模化學(xué)誘變，創(chuàng)制了1萬(wàn)份（約16萬(wàn)個(gè)單株）復(fù)粒稻誘變株系，通過(guò)在田間逐一仔細(xì)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(fā)生突變的基因 BRD3 ，在復(fù)粒稻中通過(guò)基因編輯將其敲除后簇生表型消失。進(jìn)一步通過(guò)基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)， CL 位點(diǎn)不僅包含了 BRD3 基因，還包含了激活其表達(dá)的復(fù)雜染色體結(jié)構(gòu)變異，解釋了其通過(guò)傳統(tǒng)方法難以克隆到具體基因的原因。
由于 BRD3 基因編碼植物激素油菜素甾醇代謝酶，研究人員進(jìn)一步解析了油菜素甾醇調(diào)控穗粒數(shù)的分子通路。實(shí)驗(yàn)顯示，復(fù)粒稻中 BRD3 基因僅在水稻二級(jí)分枝分生組織部位被 CL 位點(diǎn)中的結(jié)構(gòu)變異適度的激活表達(dá)，降低了油菜素甾醇含量從而使得穗粒數(shù)增多，對(duì)粒重等農(nóng)藝性狀并沒(méi)有任何影響。田間試驗(yàn)顯示，與對(duì)照的非簇生相比，復(fù)粒稻二級(jí)枝梗數(shù)可增加35.2%，穗粒數(shù)增加28.2%，最終產(chǎn)量可增加11.27%~20.96%。該研究首次發(fā)現(xiàn)油菜素甾醇具有通過(guò)調(diào)控水稻穗二級(jí)分枝決定穗粒數(shù)的作用，同時(shí)反映了油菜素甾醇的作用具有時(shí)空特異性，為破解水稻穗粒數(shù)和粒重之間的負(fù)相關(guān)平衡關(guān)系提供了新的技術(shù)路徑，為未來(lái)水稻新品種改良、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量突破提供了可能。此外，該研究也通過(guò)數(shù)據(jù)證實(shí)了自然界中油菜素甾醇調(diào)控花序發(fā)育的新功能。
中國(guó)科學(xué)院院士李家洋認(rèn)為，該研究發(fā)現(xiàn)組織特異性地抑制植物激素油菜素甾醇含量可以只增加穗粒數(shù)，而不影響粒重和品質(zhì)，一定程度上破解了兩者之間的負(fù)相關(guān)平衡關(guān)系，是一種極有潛力的分子設(shè)計(jì)策略。該策略對(duì)于其它激素的運(yùn)用也具有參考意義，尤其是在植物體內(nèi)具有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)的激素，如生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素等。未來(lái)應(yīng)在作物中進(jìn)一步加強(qiáng)植物激素空間分布調(diào)控的相關(guān)基礎(chǔ)研究，為開展多性狀的協(xié)同改良奠定基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，保障國(guó)家糧食安全。
中國(guó)科學(xué)院院士林鴻宣認(rèn)為，復(fù)粒稻歷史悠久，近年來(lái)很多人對(duì)其簇生表型開展研究，但相關(guān)調(diào)控基因克隆難度大，一直未能成功，現(xiàn)在終于解開了答案，發(fā)現(xiàn)油菜素甾醇含量控制著簇生表型。這是油菜素甾醇研究的重大突破，也是突破當(dāng)前作物產(chǎn)量瓶頸的有效途徑，應(yīng)給予高度重視。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室、福建省“5511”協(xié)同創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838
