3月8日，國(guó)際權(quán)威期刊《科學(xué)》刊發(fā)了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員童紅寧研究團(tuán)隊(duì)的最新成果。該成果破譯了國(guó)際關(guān)注近百年的水稻種質(zhì)資源“復(fù)粒稻”形成的遺傳密碼，揭示了植物激素油菜素甾醇調(diào)控水稻穗粒數(shù)的奧秘，為培育高產(chǎn)水稻新品種提供了理論基礎(chǔ)和新路徑。
“該研究發(fā)現(xiàn)組織特異性地抑制油菜素甾醇含量可以只增加穗粒數(shù)，而不影響粒重，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?！敝袊?guó)科學(xué)院院士李家洋認(rèn)為，這個(gè)策略對(duì)于其他激素也具有參考意義，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。他表示，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，為理解多性狀的相互關(guān)聯(lián)與平衡機(jī)制，進(jìn)而開(kāi)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。
從16萬(wàn)個(gè)單株篩選出2份不簇生的突變體株系
復(fù)粒稻是一種具有多粒簇生（聚集成團(tuán)或成堆地生長(zhǎng)）特點(diǎn)的水稻種質(zhì)資源。自20世紀(jì)30年代被世界各國(guó)陸續(xù)報(bào)道以來(lái)，復(fù)粒稻因獨(dú)特的表型引起了眾多科學(xué)家的關(guān)注。科研人員開(kāi)展大量研究，最終將控制簇生的染色體位點(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。因此，復(fù)粒稻形成的遺傳機(jī)制始終是未解之謎。
復(fù)粒稻
論文通訊作者、中國(guó)農(nóng)科院作科所研究員童紅寧介紹，為了尋找目標(biāo)基因，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)7年，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。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在田間逐一仔細(xì)鑒定穗部特征，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，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)一步基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，該染色體位點(diǎn)不僅包含了該突變基因，還包含了激活其表達(dá)的復(fù)雜染色體結(jié)構(gòu)變異，這解釋了其通過(guò)傳統(tǒng)方法難以克隆到具體基因的原因。
“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(hào)染色體的重要表型標(biāo)記?！敝袊?guó)科學(xué)院院士林鴻宣認(rèn)為，近年來(lái)很多人對(duì)該表型性狀開(kāi)展研究，但相關(guān)調(diào)控基因克隆難度大，一直未成功。這項(xiàng)工作最終給出了答案，發(fā)現(xiàn)油菜素甾醇含量控制著這個(gè)表型，也說(shuō)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。
打破水稻穗粒數(shù)和粒重間“你多我就少”關(guān)系
研究人員進(jìn)一步解析了油菜素甾醇如何調(diào)控穗粒數(shù)的分子通路。研究發(fā)現(xiàn)，在水稻穗分枝過(guò)程中，會(huì)依次發(fā)育出“一級(jí)分枝分生組織”“二級(jí)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)。研究還首次發(fā)現(xiàn)，油菜素甾醇可以通過(guò)調(diào)控水稻穗二級(jí)分枝調(diào)控穗粒數(shù)。
這項(xiàng)研究首次揭示了油菜素內(nèi)酯在水稻二級(jí)分枝過(guò)程中的重要調(diào)控作用
田間試驗(yàn)顯示，跟不簇生的對(duì)照比起來(lái)，該研究所采用的一份復(fù)粒稻的二級(jí)枝梗多了35.2%，這讓每穗的谷粒數(shù)增加了28.2%。這一發(fā)現(xiàn)反映了油菜素甾醇的作用根據(jù)時(shí)間和空間的不同而有所變化，打破了水稻穗粒數(shù)和粒重之間“你多我就少”的關(guān)系，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。
“簇生是一種在其他植物中也廣泛存在的表型特征。通過(guò)對(duì)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)行油菜素甾醇測(cè)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油菜素甾醇含量變化，這一結(jié)果暗示油菜素甾醇含量控制簇生的機(jī)制在大自然中可能具有普遍性?！蓖t寧表示。
簇生薔薇
（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所供圖）
