中国农业科学院最新Science

近日，中国农业科学院作物科学研究所童红宁研究员领衔的研究团队，破译了国际关注近百年的水稻种质资源“复粒稻”形成的遗传基础，揭示了植物激素油菜素甾醇（BR）调控水稻穗粒数的机制，为培育高产水稻新品种提供了理论基础和新路径。研究成果以长文形式在线发表于《科学（Science）》。

复粒稻是一种具有多粒簇生特点的水稻种质资源，自二十世纪三十年代被世界各国陆续报道以来，因其独特的表型引起了众多科学家的关注，开展了大量研究，最终将控制簇生的 CL 位点定位在6号染色体一个较大区间内，但一直未克隆到具体基因，复粒稻形成的遗传机制始终是未解之谜。

为了寻找目标基因，研究团队对复粒稻种质进行了大规模化学诱变，创制了1万份（约16万个单株）复粒稻诱变株系，通过在田间逐一仔细鉴定穗部特征，从中筛选出2份不簇生的突变体株系，终于定位到发生突变的基因 BRD3 ，在复粒稻中通过基因编辑将其敲除后簇生表型消失。进一步通过基因组测序发现， CL 位点不仅包含了 BRD3 基因，还包含了激活其表达的复杂染色体结构变异，解释了其通过传统方法难以克隆到具体基因的原因。

由于 BRD3 基因编码植物激素油菜素甾醇代谢酶，研究人员进一步解析了油菜素甾醇调控穗粒数的分子通路。实验显示，复粒稻中 BRD3 基因仅在水稻二级分枝分生组织部位被 CL 位点中的结构变异适度的激活表达，降低了油菜素甾醇含量从而使得穗粒数增多，对粒重等农艺性状并没有任何影响。田间试验显示，与对照的非簇生相比，复粒稻二级枝梗数可增加35.2%，穗粒数增加28.2%，最终产量可增加11.27%~20.96%。该研究首次发现油菜素甾醇具有通过调控水稻穗二级分枝决定穗粒数的作用，同时反映了油菜素甾醇的作用具有时空特异性，为破解水稻穗粒数和粒重之间的负相关平衡关系提供了新的技术路径，为未来水稻新品种改良、实现产量突破提供了可能。此外，该研究也通过数据证实了自然界中油菜素甾醇调控花序发育的新功能。

中国科学院院士李家洋认为，该研究发现组织特异性地抑制植物激素油菜素甾醇含量可以只增加穗粒数，而不影响粒重和品质，一定程度上破解了两者之间的负相关平衡关系，是一种极有潜力的分子设计策略。该策略对于其它激素的运用也具有参考意义，尤其是在植物体内具有动态转运的激素，如生长素和细胞分裂素等。未来应在作物中进一步加强植物激素空间分布调控的相关基础研究，为开展多性状的协同改良奠定基础，最终实现粮食的高产稳产，保障国家粮食安全。

中国科学院院士林鸿宣认为，复粒稻历史悠久，近年来很多人对其簇生表型开展研究，但相关调控基因克隆难度大，一直未能成功，现在终于解开了答案，发现油菜素甾醇含量控制着簇生表型。这是油菜素甾醇研究的重大突破，也是突破当前作物产量瓶颈的有效途径，应给予高度重视。

该研究得到了国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程、崖州湾种子实验室、福建省“5511”协同创新工程等项目资助。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838

来源：中国农业科学院作物科学研究所