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(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)三十年代起被世界各國陸續(xù)報(bào)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(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(gè)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(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)。實(shí)驗(yàn)顯示,BRD3在水稻二級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(shí),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(jí)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(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。
中國科學(xué)院院士林鴻宣評(píng)價(jià)稱,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。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(xiàng)工作最終解開了答案,發(fā)現(xiàn)BR含量控制著這個(gè)表型。這項(xiàng)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。