Nature Commun | 中国农业大学李自超/张战营团队揭示水稻穗粒数调控新机制

水稻养活了世界近一半人口，其产量潜力关乎国家粮安大局。在众多产量性状中，“每穗粒数”直接决定了单穗生产能力，是实现产量突破的关键要素。10月6日， 中国农业大学农学院李自超/张战营团队在国际期刊Nature Communications上发表了题为“Natural variation ofGNP2enhances grain number to benefit rice yield”的研究论文，成功克隆了关键基因 GNP2，系统解析了其与GNP5、Gnp4/LAX2 协同构成的穗粒数调控模块，为水稻高产育种提供了从理论到应用的完整解决方案。

从种质“大海捞针”到基因功能锁定

研究团队立足丰富的稻种资源，在广西南宁与云南玉溪两地，对涵盖籼、粳、Aus三大亚群的496份代表性材料进行了精细的田间表型鉴定。借助近500万个高质量SNP标记，通过全基因组关联分析，团队成功从1号染色体的196.4 kb区间内“打捞”出关键候选基因LOC_Os01g10840，并将其命名为GNP2。与此同时，在4号染色体上也锁定了其上游调控因子GNP5。基因敲除实验表明，缺失任一基因都会导致二次枝梗和穗粒数减少；反之，过表达植株则表现出穗粒数和产量显著提升，明确了它们“增产开关”的角色。

水稻穗粒数GWAS分析及GNP2和GNP5功能验证

从上游调控到蛋白修饰：一条清晰的分子通路

研究团队建立了一条完整的 GNP5–GNP2–Gnp4/LAX2 水稻穗粒数调控网络。GNP5作为bZIP转录因子，能够精准结合在GNP2启动子区的G-box元件上，直接启动GNP2的转录。而GNP2作为一种激酶，行使着“分子加速器”的功能：它通过磷酸化下游的Gnp4/LAX2蛋白（关键位点为Thr175/Thr262），有效延缓了其降解，从而稳定了这支促进穗部发育的“核心力量”。这一系列分子操作，如同一个精准的指挥链，共同确保了水稻穗部二次枝梗的顺利建成。

从自然变异到设计蓝图：优势单倍型驱动育种增效

团队在GNP2的启动子区发现了一个关键的自然变异位点（S5779181，G-A）。携带G碱基的等位基因能显著提升GNP5对其转录激活，从而提高GNP2的表达水平，是名副其实的“高产型”启动子。进一步将GNP2的G等位基因(GNP2-Hap-G)与GNP5的优势单倍型（Hap1）进行组合，得到了强强联合的“I型”单倍型组合。田间试验证实，携带该组合的近等基因系及过表达株系，能在不改变粒型、粒重等其他农艺性状的前提下，实现单株产量10%以上的提升，完美展现了“精准增产”的育种理念。

该研究揭示的GNP5-GNP2-Gnp4/LAX2通路不仅深化了我们对水稻穗型发育的认知，更鉴定了具备明确育种价值的优势基因型。特别是在“I型”单倍型频率较低的粳稻品种中，这一发现为产量潜力挖掘开辟了广阔空间。

GNP5-GNP2-Gnp4/LAX2模块调控 水稻穗粒数的机制模型

该研究由中国农业大学农学院李自超教授领衔的水稻种质资源、基因组学与分子育种（RGGMB）团队主导完成。团队长期依托自主构建的“水稻微核心种质（MCC）”与“巢式关联作图群体（MCC-NAM）”，围绕水稻产量、耐寒、抗旱等重要性状开展研究，已建立从种质资源创制到基因定位、机理解析、育种应用的完整研究体系。

论文第一作者为中国农业大学博士研究生胡乾峰，通讯作者为张战营副教授。李自超教授、张洪亮教授、李金杰教授和孙兴明副教授等团队核心成员，以及广西农业科学院、云南省农业科学院的科研人员共同参与研究。 研究工作得到农业生物育种专项、国家农业科技重大项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项及中国农业大学“2115”人才计划等项目的联合资助。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64564-y