記者從中國農(nóng)科院獲悉:近日,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(duì),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內(nèi)酯(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。北京時間3月8日凌晨,研究成果以長文形式在線發(fā)表于《科學(xué)(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(chǎn)對保障全球糧食安全具有重要意義。在經(jīng)歷了矮化育種(第一次綠色革命)和雜種優(yōu)勢利用后,水稻單產(chǎn)有了大幅提升,但近些年水稻單產(chǎn)的提升逐漸進(jìn)入“瓶頸期”。
“單產(chǎn)的突破依賴于水稻種質(zhì)資源中重大基因的發(fā)掘利用,復(fù)粒稻便是這樣一種具有多粒簇生性狀的特殊的水稻種質(zhì)資源。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)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(jì)三十年代起,印度、美國、日本等世界各國的遺傳學(xué)家陸續(xù)報(bào)道了這種獨(dú)特的水稻。與常見的單粒水稻不同,復(fù)粒稻通常會有三粒種子簇生在一起,有學(xué)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(dú)特的表型意味著什么?
一般來說,水稻產(chǎn)量主要由三個要素決定,即畝穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重。
“我們知道畝穗數(shù)主要是由水稻的分蘗數(shù)決定、有效穗數(shù)決定,可以通過密植提高畝穗數(shù),但是穗粒數(shù)和粒重很難通過栽培方式提升,所以這兩個性狀的遺傳機(jī)制的解析十分重要。而復(fù)粒稻的一個顯著特征即多粒簇生,換句話說穗粒數(shù)可能會多,有提高單產(chǎn)的潛力?!蓖t寧解釋。
向著科學(xué)的高峰奮進(jìn),近年來很多科學(xué)家們對復(fù)粒稻開展研究,但多年努力最終只能將控制簇生的CL位點(diǎn)定位在6號染色體一個區(qū)間內(nèi),而一直未能定位到具體基因,復(fù)粒稻形成的遺傳機(jī)制成了未解之謎。
為了尋找目標(biāo)基因,團(tuán)隊(duì)研究人員另辟蹊徑,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(植物激素油菜素內(nèi)酯BR的一個代謝基因),在復(fù)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(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”“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。”童紅寧介紹,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,也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。在上述研究基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)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。
“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(jì)策略?!敝锌圃涸菏坷罴已笳J(rèn)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(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。