近日，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)銜的研究團隊，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的水稻種質(zhì)資源，自二十世紀(jì)三十年代被世界各國陸續(xù)報道以來，因其獨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 位點定位在6號染色體一個較大區(qū)間內(nèi)，但一直未克隆到具體基因，復(fù)粒稻形成的遺傳機制始終是未解之謎。
為了尋找目標(biāo)基因，研究團隊對復(fù)粒稻種質(zhì)進行了大規(guī)模化學(xué)誘變，創(chuàng)制了1萬份（約16萬個單株）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。進一步通過基因組測序發(fā)現(xiàn)， CL 位點不僅包含了 BRD3 基因，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 基因編碼植物激素油菜素甾醇代謝酶，研究人員進一步解析了油菜素甾醇調(diào)控穗粒數(shù)的分子通路。實驗顯示，復(fù)粒稻中 BRD3 基因僅在水稻二級分枝分生組織部位被 CL 位點中的結(jié)構(gòu)變異適度的激活表達(dá)，降低了油菜素甾醇含量從而使得穗粒數(shù)增多，對粒重等農(nóng)藝性狀并沒有任何影響。田間試驗顯示，與對照的非簇生相比，復(fù)粒稻二級枝梗數(shù)可增加35.2%，穗粒數(shù)增加28.2%，最終產(chǎn)量可增加11.27%~20.96%。該研究首次發(fā)現(xiàn)油菜素甾醇具有通過調(diào)控水稻穗二級分枝決定穗粒數(shù)的作用，同時反映了油菜素甾醇的作用具有時空特異性，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、實現(xiàn)產(chǎn)量突破提供了可能。此外，該研究也通過數(shù)據(jù)證實了自然界中油菜素甾醇調(diào)控花序發(fā)育的新功能。
中國科學(xué)院院士李家洋認(rèn)為，該研究發(fā)現(xiàn)組織特異性地抑制植物激素油菜素甾醇含量可以只增加穗粒數(shù)，而不影響粒重和品質(zhì)，一定程度上破解了兩者之間的負(fù)相關(guān)平衡關(guān)系，是一種極有潛力的分子設(shè)計策略。該策略對于其它激素的運用也具有參考意義，尤其是在植物體內(nèi)具有動態(tài)轉(zhuǎn)運的激素，如生長素和細(xì)胞分裂素等。未來應(yīng)在作物中進一步加強植物激素空間分布調(diào)控的相關(guān)基礎(chǔ)研究，為開展多性狀的協(xié)同改良奠定基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，保障國家糧食安全。
中國科學(xué)院院士林鴻宣認(rèn)為，復(fù)粒稻歷史悠久，近年來很多人對其簇生表型開展研究，但相關(guān)調(diào)控基因克隆難度大，一直未能成功，現(xiàn)在終于解開了答案，發(fā)現(xiàn)油菜素甾醇含量控制著簇生表型。這是油菜素甾醇研究的重大突破，也是突破當(dāng)前作物產(chǎn)量瓶頸的有效途徑，應(yīng)給予高度重視。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程、崖州灣種子實驗室、福建省“5511”協(xié)同創(chuàng)新工程等項目資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838
