3月8日，由中國農(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，破譯了國際關(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，自上世紀(jì)三十年代被世界各國陸續(xù)報道以來，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號染色體一個較大區(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)隊對復(fù)粒稻種質(zhì)進(jìn)行了大規(guī)?；瘜W(xué)誘變，創(chuàng)制了1萬份（約16萬個單株）復(fù)粒稻誘變株系，通過在田間逐一仔細(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)粒稻中通過基因編輯將其敲除后簇生表型消失。進(jìn)一步通過基因組測序發(fā)現(xiàn)，CL位點(diǎn)不僅包含了BRD3，還包含了激活其表達(dá)的復(fù)雜染色體結(jié)構(gòu)變異，解釋了其通過傳統(tǒng)方法難以克隆到具體基因的原因。

 

　　由于BRD3基因編碼BR代謝酶，研究人員進(jìn)一步解析了BR如何調(diào)控穗粒數(shù)的分子通路。在水稻穗分枝過程中，會依次發(fā)育出“一級分枝分生組織”、“二級分枝分生組織”、和“小穗分生組織”，這些分生組織的持續(xù)分化和轉(zhuǎn)化最終決定了穗粒數(shù)。實(shí)驗(yàn)顯示，BRD3在水稻二級分枝分生組織部位被激活，導(dǎo)致了該部位BR含量減少，進(jìn)而通過一系列生物學(xué)過程促進(jìn)分生組織轉(zhuǎn)化調(diào)控因子RCN2的表達(dá)，延遲二級分枝分生組織向小穗分生組織的轉(zhuǎn)變，最終產(chǎn)生更多的水稻二級分枝，從而增加穗粒數(shù)。該研究是首次發(fā)現(xiàn)BR具有通過調(diào)控水稻穗二級分枝決定穗粒數(shù)的作用。

 

　　由于復(fù)粒稻中BRD3僅在特定組織中被CL位點(diǎn)中的結(jié)構(gòu)變異適度的激活表達(dá)，降低了BR含量從而使得穗粒數(shù)增多；同時，對粒重等農(nóng)藝性狀并沒有任何影響，因此，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量提升。田間試驗(yàn)顯示，相對于非簇生對照，復(fù)粒稻二級枝梗數(shù)可增加35.2%，導(dǎo)致穗粒數(shù)增加28.2%，而其它產(chǎn)量性狀如穗數(shù)和粒重等都沒有顯著差異，最終產(chǎn)量可增加11.27%~20.96%。這一發(fā)現(xiàn)反映了BR的作用具有時空特異性，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，為未來水稻新品種改良、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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。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(jìn)行BR測量比較發(fā)現(xiàn)，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(jié)果暗示BR含量控制簇生的機(jī)制在大自然中可能具有普遍性。

 

　　許多院士專家對該科學(xué)發(fā)現(xiàn)表示了高度贊賞。

 

　　李家洋院士認(rèn)為，該研究發(fā)現(xiàn)組織特異性地抑制BR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)計策略。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(nèi)具有動態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)的激素如生長素和細(xì)胞分裂素等。未來應(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，為理解多性狀的相互關(guān)聯(lián)與平衡機(jī)制，進(jìn)而開展多性狀的協(xié)同改良奠定基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)并保障糧食安全。

 

　　林鴻宣院士認(rèn)為，復(fù)粒稻歷史悠久，早年間在連鎖群構(gòu)建中就被用作水稻6號染色體的重要表型標(biāo)記。近年來很多人對該表型性狀一直開展研究，但相關(guān)調(diào)控基因克隆難度大，一直未成功?，F(xiàn)在很高興看到這項工作最終解開了答案，發(fā)現(xiàn)BR含量控制著這個表型。這是紅寧等人在多年從事水稻BR研究的基礎(chǔ)上取得的重大突破。這項工作也說明從種質(zhì)資源中挖掘基因資源是突破當(dāng)前作物產(chǎn)量瓶頸的有效途徑，應(yīng)給予高度重視。

 

　　福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所作為合作單位參與本研究。中國農(nóng)科院作科所博士畢業(yè)生張曉星、助理研究員孟文靜、劉大普以及福建農(nóng)科院潘德灼博士為論文共同第一作者，中國農(nóng)科院作科所童紅寧研究員、福建農(nóng)科院趙明富研究員、中國農(nóng)科院作科所錢前院士為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程、崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室、福建省“5511”協(xié)同創(chuàng)新工程等項目資助。

 

　　原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838