Advanced Science | 四川农业大学水稻遗传团队揭示水稻EMS诱变效率的遗传基础

面对气候变化、资源短缺和人口增长对全球粮食安全带来的严峻挑战，作物育种亟需利用多样化的种质资源培育高产、稳产且适应性强的优良品种。EMS化学诱变作为创制遗传变异的经典手段，已在242个物种中育成3400余个突变品种，其中半矮秆水稻'Calrose 76'等突破性品种为农业生产带来革命性变革。然而，EMS诱变效率存在显著的基因型依赖性，其遗传机制不明严重制约了该技术的精准应用。

近日，四川农业大学水稻研究所周浩/吴先军团队在国际著名学术期刊Advanced Science上发表了题为“Genome-Wide Association Analyses Reveal the Genetic Basis of EMS Mutagenesis Efficiency in Rice”的研究论文。该研究通过对420份水稻种质资源开展系统分析，首次在全基因组水平解析了EMS诱变效率的遗传基础，发现果皮色素基因Rc通过增强种子抗氧化能力，多效性调控EMS耐受性与突变频率。这一发现不仅揭示了植物响应化学诱变的生理机制，更为建立精准高效的突变育种技术体系提供了理论依据和实践方案，对加速水稻遗传改良进程具有重要意义。

作者在前期研究中发现不同水稻品种种子的诱变致死率和后代表现出来的突变体频率呈现显著差异。基于此，研究人员首先系统评估了两个水稻品种在不同EMS浓度和处理时间下的诱变效率，发现M₁代植株存活率随EMS浓度和处理时间增加而急剧下降，而M₂代白化苗频率与M₁代存活率呈负相关（图1A，B）。在所有处理条件下，籼稻品种YHJZ均比粳稻品种K9553表现出更高的M₁代存活率和M₂代白化苗频率，表明YHJZ具有更高的EMS诱变效率（图1C）。

为了系统解析EMS诱变效率的遗传基础，研究团队对一个包含420份多样化水稻种质资源的群体进行了分析（图1D）。研究量化了两个关键性状：EMS耐受性（以EMS处理前后存活率的降低程度衡量，降低幅度越小耐受性越高）和突变频率（以M₂代幼苗中表现出白化、类病斑或叶尖坏死等突变表型的比例衡量）。在0.6% EMS处理20小时条件下发现，Aus亚群在突变频率相关性状和耐受性相关性状上均显著优于其他亚群（IndI, IndII, TeJ, TrJ），表明Aus亚群在所考察的水稻群体中具有最高的EMS诱变效率。同时通过对来自五个水稻亚群的M₁代幼苗进行全基因组测序，发现Aus亚群中EMS诱导的全基因组SNP数量显著高于其它亚群。

图1. 不同水稻种质资源中 EMS 诱变耐受性与突变频率的表型特征分析

通过对420份水稻材料的耐受性和突变频率相关性状进行全基因组关联分析，研究未在突变频率性状上鉴定到显著位点，但在耐受性性状上鉴定到多个显著关联位点。其中，候选区域中LOC_Os07g11020 (Rc) 因其已知功能（控制果皮色素沉积和种子休眠，而种子休眠与存活率相关，且Rc促进具有抗氧化活性的原花青素积累）成为强候选基因（图2A）。为了遗传验证Rc在EMS耐受性中的作用，研究团队利用CRISPR/Cas9技术在红米籼稻品种BKZH中创建了Rc敲除系（图2G-I）。EMS处理后，两个敲除系的幼苗存活率均显著低于野生型BKZH，证实Rc在增强EMS耐受性中起关键作用。

图2. Rc基因的自然变异影响水稻种子对EMS的耐受性

同时研究团队构建了以黄华占（HHZ）为背景的Rc近等基因系（图3A）。EMS处理后，HHZ (Rc)的种子存活率显著高于HHZ (rc) （图3B-E）。单倍型分析显示，超过91%的Aus亚群材料携带功能型Rc等位基因，这与Aus水稻优异的EMS耐受性和高诱变频率一致（图2E）。为了检验Rc是否直接影响诱变频率，研究者对M₁代植株进行了全基因组测序，发现HHZ (Rc)在全基因组范围内表现出显著高于HHZ (rc)的EMS诱导突变数量（图3F-G）。相应地，在M₂代，HHZ (Rc) 的可见突变体频率也显著高于HHZ (rc)。这些发现证明功能型Rc等位基因不仅能提高EMS耐受性，还能增加水稻的诱变效率。

为了探究Rc增强EMS耐受性的机制，研究人员检测了EMS处理后胚中超氧化物的积累情况（图3H-K）。Rc种子的胚NBT染色较浅，表明其胚细胞活力更高。活性氧水平测量证实，rc种子积累的H₂O₂和其他ROS水平显著高于Rc种子。对抗氧化酶活性的评估显示，Rc种子中的CAT、SOD和POD活性均显著高于rc种子。鉴于Rc是水稻果皮中原花青素生物合成的主要调控因子，研究者提出，Rc通过提升抗氧化能力来减轻EMS诱导的氧化损伤，从而增强EMS耐受性和诱变效率。

图3. Rc基因通过提升水稻种子抗氧化能力增强EMS诱变效率

综上，该研究系统揭示了水稻EMS诱变效率的遗传基础，鉴定出关键基因Rc及其作用机制，不仅为理解植物对化学诱变的响应提供了新见解，也为通过精准选择亲本基因型或利用生物技术手段优化诱变育种策略，从而高效创制水稻新种质提供了重要的理论依据和实践方案。

四川农业大学水稻研究所/西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室徐培洲、薛乐和华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室张庆路为论文共同第一作者，四川农业大学吴先军教授和周浩教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、四川省科技计划等项目的资助。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202517647