我国科研人员找到控制水稻多粒簇生关键基因

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如果生长一粒稻谷的地方，长出了多个稻谷，水稻会发生怎样的变化？这不是科学幻想，在自然界，存在天然变异的复粒、簇生的水稻，但粒数增多往往会使稻粒变小、变轻，这种粒数和粒重负相关的现象如何解决？有没有一种既多粒又不减重的水稻呢？
近日，一项新的研究揭开了这一谜题，来自中国农业科学院作物科学研究所的研究人员，找到了控制水稻多粒簇生的关键基因，并将簇生基因应用于育种改良促进水稻增产。成果在线发表于《科学（Science）》杂志。



复粒稻。中国农科院作科所供图
多粒簇生的水稻，水稻增产的契机
簇生是植物中常见的特征，有茎的簇生、花的簇生、种子的簇生等，在粮食作物中，小麦具有籽粒簇生的特点，一个小穗中有多个麦粒。在蔬菜中，辣椒也会出现簇生现象，即人们常吃的朝天椒。
水稻中也有一种籽粒簇生的特异种质，被称为复粒稻。
中国农科院水稻优异种质资源发掘与创新利用创新团队负责人童红宁介绍，关于复粒稻的报道，最早在上世纪三十年代就出现了，当时，印度、美国、日本等世界各国的遗传学家陆续报道了一种独特的水稻——复粒稻，又称为簇生稻，与常见的单粒水稻不同，复粒稻通常三粒种子簇生在一起，所以也有学者称之为“三粒奇”，此外，在某些背景下，簇生会使得稻穗酷似麦穗，因此又有人称之为“麦颖稻”。
不过，我国水稻单产经历快速增长期后，为什么现在已经到了产量瓶颈期很难再有大幅增产？童红宁介绍，这是因为粒数和粒长、粒重之间存在负相关的关系，粒数增多，会使稻粒变小、变轻。
粮食产量有三要素，亩穗数、穗粒数、千粒重，任何一项的增加，都会带来单产的提升，然而，三者之间并不是正相关的关系，如何找到最佳的平衡，是育种中重要的课题。尤其对复粒稻来说，如果能够在增加穗粒数的同时，保持原本的粒重，必然会带来水稻产量的飞跃。
上世纪五六十年代，国外的科学家就开始尝试破解这一难题，我国科学家，也从上世纪九十年代开始研究复粒稻。然而数十年中，国内外的科学家们，将调控水稻簇生的基因，定位在了一个范围内，但始终无法真正克隆出这一基因。这使得复粒稻的研究一直都难以突破关键的关口，也就无法真正帮助育种家们，育成可用于生产的品种。





自然界中的簇生现象。中国农科院作科所供图
突破的契机，从植物激素开始
2017年，童红宁进入作科所工作，研究一种名为油菜素甾醇的植物激素，它最早是在1979年从油菜花粉中提取的，但事实上它不只在油菜中存在，而是普遍存在于各种植物中。油菜素甾醇被称为第六大植物激素，广泛用作植物生长调节剂。
“开始研究复粒稻，是一个巧合。”童红宁介绍，使用油菜素甾醇的方法，主要是通过田间喷施，他则希望能够解析油菜素甾醇的运作机制，通过植物自身对油菜素甾醇的调控改良性状，而复粒稻无疑是一个合适的对象。
在创制了复粒稻的实验材料之后，童红宁推断，水稻簇生现象的产生，一定和油菜素甾醇有关，破解复粒稻机制的关键，很可能就在油菜素甾醇上。
“水稻穗有一个主干，主干上有分支，叫做一级枝梗，一级枝梗上又有分支，叫二级枝梗，小穗通过花柄连接在二级枝梗上，每个小穗对应一个种子。”童红宁介绍，“在研究中，我们发现，复粒稻的二级枝梗明显增加了，最终导致单株的穗粒数能够增加28%左右，如果水稻本身有200粒左右的种子，就能增加四五十粒。”
如何进一步找到导致二级枝梗增加的真正原因？科学家确定了簇生基因的大致范围，但总是不能精准克隆出那个基因，一方面，可能是因为表型受到双亲基因的影响，导致表型不稳定，所以难以克隆。另一方面，也可能是它本身存在结构变异，导致无法精准识别和定位。





科研人员雨中插秧。中农科院作科所供图
全新的策略，在16万株中寻找
传统的方法无法精准找到调控水稻簇生的基因，童红宁和团队成员们，开始寻找新的策略。
“科学家们通常都是从不变的材料中寻找变异的材料，找到导致变异的基因。”童红宁说，“但当这样的策略出现瓶颈和困难的时候，我们就想，能不能反向操作，在变异中寻找那个没变的，研究它为什么没变？”
团队成员、中国农科院作科所博士张晓星是这项研究的参与者之一，他介绍，团队最初用复粒稻创制了1万份诱变的材料，在16万株材料中，找到了2份不簇生的材料。
如何在16万株水稻中，找到那个不簇生的回复突变体？这需要科研人员大量的田间工作，和多年职业训练出来的敏感度，“实验中，我们几乎每天呆在田里，从幼苗到成熟，每一个阶段，都要详细调查每一份材料的变化。所以，在普通人看来，一片稻田里的水稻几乎都差不多，但在我们看来，每一个细小的变化都非常明显。”张晓星说。
从普通水稻变异为复粒稻，难以找到突变的基因，但反其道而行之时，复粒稻突变为正常水稻后，基因的定位变得相对简单，“当我们利用基因编辑技术敲除这个基因，复粒稻就变回了单粒稻，这说明我们确实定位到了这个基因。”童红宁说。
巧妙的变化，找到突变的机制
簇生基因究竟是怎样调控水稻粒数的？童红宁介绍，其实，这个基因并不是第一次被发现和研究，在此前的研究中，科学家们已经知道，它是一种降解油菜素甾醇的代谢酶，它多了，油菜素甾醇就会变少，反之亦然。
很显然，在复粒稻中，由于某种因素，导致了油菜素甾醇的减少，但它如何调控油菜素甾醇的含量？为何粒数增多之后，稻粒的大小却没有变化？这些秘密依然等待揭开。
随后，科研人员对复粒稻进行了基因组测序组装，发现簇生基因前方，出现了一个染色体结构变异，正是这个变异使簇生基因在二级分枝中表达量上升，导致油菜素甾醇含量减少，最终使得稻穗的二级分枝变多，种子出现了簇生。
为什么是二级分枝，不是一级分枝，不是水稻的茎秆呢？水稻的茎本身是分蘖簇生的，为何它的增多，没有让水稻分蘖变多，而是让种子变多了？
童红宁介绍，这恰恰是这项研究的关键，也就是这一变异的时空特异性表达，科研人员采取了多种方式验证，发现簇生基因，在特定时间、特定位置增加了特定的量，在这个特定时空外则是正常的。
“这其中涉及到一系列相关的变化，通过多个基因的共同影响，产生了两个特定的变化，第一个是特定时间，它只在水稻穗分枝的时候增加，第二是特定空间，只在二级分枝前增加。”童红宁说，“就好像一个在水流中安了一个水闸，当水闸关小，水就会在特定位置停留更多时间，那个位置的水也就更多。”
有趣的是，在染色体结构变异和特定基因表达量变化的共同作用下，在稻穗产生二级分枝过程中，簇生基因表达量增加了特定倍数，3-5倍，既不太多，也不太少，“对整个植株来说，这个增量特别合适，它足够多，多到可以产生足够的二级分枝，让种子簇生。同时也不够多，不会导致整个株形产生大的变化，也就是说，没有别的副作用。”





研究首次揭示了油菜素内酯在水稻二级分枝过程中的重要调控作用。中国农科院作科所供图
增产新途径，复粒稻未来广阔
一个稻穗上的小枝梗，从结一粒种子，到结出多粒种子，肉眼看不到的微观世界里，发生了奇妙且巧合的变化。
“在适当的时间，适当的地方，出现了适当的变化。”童红宁说，“众多恰到好处的变化，使得水稻在一个小枝梗上，出现了多个稻粒，而因为它只在分枝过程中起作用，后面的开花、灌浆、结实期间，都不起作用，所以籽粒不会变小，这意味着，只要营养跟得上，粒重这个产量三要素之一，就不会有大的变化，粒重不变，籽粒变多，增产自然就实现了。”
和单粒的水稻相比，复粒稻究竟能增产多少呢？在前期的试验中，科研人员发现，和单粒水稻相比，同样种植面积的复粒稻，可以增产11%-21%，但这并不是最终数据，事实上，最终的增产情况，还要看真正育成品种的效果，童红宁介绍，“在发现了复粒稻簇生的机制后，我们也在尝试将这一机制运用到育种中，目前，育种试验还在进行中，如果最终能够育成更高产的品种，那无疑会给水稻单产的提升带来新的契机。”





复粒稻与单粒稻对比。中国农科院作科所供图
“油菜素甾醇发现四十多年，是生产中应用最广泛的作物生长调节剂，它的许多功能都已经被解析，而新功能的发现，为粮食增产提供了新的契机。”华南农业大学教授储成才表示。
中国科学院院士种康表示，该研究是植物激素重要的扩展和突破，在育种中，最重要的是找到一个多因素之间的平衡，而该研究发现了复粒稻簇生的机制，且找到了穗粒数和籽粒大小之间的平衡，在分子设计育种方面有重要的意义。
“攻克大家都难以攻克的难关，找到大家都找不到的基因，看起来巧合，但背后是科学家多年的坚持，科研工作需要久久为功，这正是科学家精神的体现。”中国科学院院士钱前说。（来源：新京报）