万建民院士团队揭示水稻花时调控新机制

近日，万建民院士团队在Plant Physiology期刊上发表了题为The multifunctional protein OsAIM1 regulates floret opening and closure timing via jasmonic acid-mediated lodicule dynamics in rice的研究论文，揭示了水稻花时调控新机制。

水稻是世界上最主要的粮食作物之一，提高水稻产量对国家粮食安全意义重大。栽培水稻主要有籼稻和粳稻两个亚种，研究表明，籼粳亚种间杂种具有强大的杂种优势，相比现有籼型亚种内杂交种可增产15%以上。然而，籼粳亚种杂种优势的应用仍面临一系列问题，包括制种产量低、F1杂种不育、株高超高、超亲迟熟等。其中，籼粳花时不遇（籼稻通常比粳稻早开花1-3小时），导致父母本难以实现有效的异花授粉，进而造成制种产量低，杂交种子成本高昂，严重制约了籼粳杂交稻的大规模推广。

此外，颖壳作为种子的天然物理屏障，授粉后适时闭合能防止病菌侵染、水分丧失和物理损伤。然而，在包括诸多重要不育系在内的水稻材料中，花后颖壳不闭合（俗称“裂颖”）现象依然普遍。该缺陷导致种子皱缩、活力下降，严重影响杂交种子的产量与商品品质。

因此，实现颖花“开”与“关”的精准调控，是提高籼粳杂交制种产量和质量的关键所在。然而，调控颖壳开关的基因，特别是同时调控花时和闭颖的基因，仍然缺乏，相关分子机制尚不明确。

该研究从一个命名为“osky”（oryza sativa kaiying）的粳稻突变体入手。该突变体的花器官结构正常，但每日开花时间延迟约50分钟，且花后颖壳不闭合率高达43.4%（野生型仅1.22%）。通过图位克隆，团队将控制该表型的基因锁定为OsAIM1。该基因编码一种定位于过氧化物酶体的多功能蛋白，参与脂肪酸β-氧化过程。进一步机制解析表明，OsAIM1通过催化β-氧化反应参与茉莉酸生物合成前体的生成，进而激活下游糖转运蛋白基因的表达。糖分在浆片细胞中的积累可调节细胞渗透压，驱动水分吸收与排出，最终实现对颖壳开合的精准调控。在osky突变体中，OsAIM1功能缺失导致茉莉酸合成受阻，影响糖分向浆片的运输，造成开花前吸水膨胀延迟、开花后萎缩过程受阻，从而表现为“开花晚、闭颖差”的表型。研究还发现，外源喷施茉莉酸甲酯不仅能提前日开花时间，还能使OsAIM1功能缺失突变体恢复正常的颖壳闭合能力，这为茉莉酸动态调控颖花开合过程提供了直接证据。

值得关注的是，对水稻种质资源的序列分析发现，OsAIM1 编码区存在自然变异。酶活分析表明，籼型（HapB）酶活性更高。携带HapB的单株开花时间显著早于HapA单株。将籼型OsAIM1等位基因导入粳稻背景，可显著提前其开花时间。基于上述发现，团队提出了可能的应用方案：在育种中，通过选择适宜的OsAIM1等位基因（HapA或HapB），可调整亲本开花时间，促进籼粳杂交制种花期相遇；通过编辑不育系中OsAIM1基因，可诱导花后颖壳适度张开，延长异花授粉窗口期，随后在适当时机喷施JA，则可促进颖壳闭合，保障种子质量。

万建民院士团队长期致力于水稻籼粳杂种优势利用研究，近年来在杂种不育、抽穗期和株型调控等方面取得系列突破性成果。该研究为解决籼粳亚种间杂交花期不遇，杂交制种产量低、种子成本高的瓶颈问题提供了重要基因资源和理论支撑，对培育亚种间杂交水稻新品种具有重要意义。

南京农业大学博士研究生胡渊、硕士研究生李海申（已毕业）、博士研究生侯海刚为论文的共同第一作者，万建民院士和周时荣教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、生物育种钟山实验室项目及江苏省重点研发计划等项目的资助。

全文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf690