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东南网3月12日报道(福建日报记者 张辉 通讯员 赵明富 胡海明)3月8日,国际顶级学术期刊《科学》杂志在线发表中国农业科学院作物科学研究所、福建省农业科学院水稻研究所、中国科学遗传与发育生物学研究所联合研究成果。该成果破译了复粒稻形成的遗传基础,发现其穗粒簇生现象与植物激素“油菜素甾醇(BR)”的含量有关,为培育高产水稻新品种提供了全新技术路径。

研究界对复粒稻簇生现象的关注已近百年。那么,什么是复粒稻?什么又是簇生现象?它如何促进水稻增产呢?

百年未解之谜

你知道,稻谷被加工成白花花的大米之前,都经历了什么吗?

随着水稻从营养生长转向生殖生长,它们开始悄悄孕育稻穗。之后,稻穗从剑叶中抽出,这个过程叫作抽穗。稻穗有着层次分明的结构:主梗被称为穗轴,穗轴上有很多穗节,穗节上分化出一次枝梗,一次枝梗继而分化出二次枝梗。一次枝梗和二次枝梗上长出小穗梗,小穗梗上着生小穗,也就是我们常说的穗粒。一开始,小穗还是空瘪的,经过开花、授粉、灌浆后,内部才慢慢结出白白胖胖的谷粒。

常见的水稻是单粒稻——穗粒在小穗梗上单独生长,粒粒分明。不过,大自然中总是有特立独行的存在。20世纪30年代,人们发现了一种与众不同的水稻种质资源——复粒稻。从名字不难想象,它们的小穗总是多粒扎堆长在一起,通常是3粒,在视觉上就像难分难舍的“三胞胎”。这种现象即簇生,在不少农作物中都存在。由于稻穗结构和麦穗颇为相似,复粒稻又被称为“麦颖稻”。

复粒稻的出现,引起了育种家的兴趣。原因很简单,多粒簇生意味着穗粒密度增大、数量增多,一株水稻上可以长出更多稻谷。如果把簇生基因转移到普通水稻上,就很有可能选育出更高产的新品种。

过去的近百年中,国内外学者围绕复粒稻开展了大量研究,试图破译簇生现象的“遗传密码”。他们普遍认为,复粒稻“多胞胎”扎堆生长,或许与一个被命名为“CL”的簇生基因有关。那么,“CL”在哪里?是如何发挥作用的呢?大多数研究只是将其定位在水稻6号染色体上一个较大的区间内,并未精准定位和克隆到该基因。复粒稻簇生形成的机制,始终是未解之谜。

植物激素引发的簇生现象

中国农科院、福建省农科院、中国科学遗传与发育生物学研究所等机构的专家,决定另辟蹊径。他们以复粒稻为背景,通过化学诱变,从包含1万份诱变株系、16万份诱变单株的群体中,筛选出2份不簇生的突变体株系,接着进行复杂的回交转育、重测序和关联分析,最终定位到了关键基因“BRD3”。他们发现,其实“CL”区间的构成极为复杂,不仅包含了“BRD3”基因,还包括了激活其表达的整个染色体区段。这就部分解释了为什么通过传统方法难以克隆到簇生基因。

“BRD3”基因,能够编码一种叫作“油菜素甾醇”(即“BR”)的植物激素。这是一种对植物生长过程影响重大的代谢酶。其含量的变化,影响了水稻穗粒是“孤军奋战”还是“抱团取暖”。

前面提到,稻穗生长其实是一个不断分枝的过程。其间,它们依次发育出“一级分枝分生组织”“二级分枝分生组织”和“小穗分生组织”。这些分生组织的持续分化和相互转化最终决定了穗粒数量。

实验显示,“BRD3”基因在水稻二级分枝分生组织部位被激活,导致了该部位“BR”代谢酶含量减少。“BR”代谢酶减少后,引发一系列连锁效应,最终延迟二级分枝分生组织向小穗分生组织转变。因此,水稻有了更多时间来进行分枝,从而长出了更多二级分枝,同时还伴随着小穗梗长度缩短。更多的二级分支,意味着能够长出更多的小穗,加上小穗穗柄缩短,穗粒变得更加紧凑,看起来就像扎堆一样,这就是簇生现象。

激活水稻高产新潜力

穗粒数增加,是否必然提升水稻单产呢?其实不然。粒数增多可能导致粒重降低,顾此失彼。

作为一种重要的植物激素,“BR”代谢酶其实有“十八般武艺”。在水稻生长发育过程中,它能够调控多种农艺性状。其含量增加,能够显著提高籽粒大小。

含量增加,水稻籽粒大小提高;含量减少,水稻籽粒数量增加。这似乎是一对矛盾。幸运的是,研究人员找到了平衡。

研究人员进一步研究发现,编码“BR”代谢酶的“BRD3”基因,仅在特定组织中被激活,作用范围被限制在一定空间内,“BR”含量降低使得穗粒数增多的同时,对籽粒大小等农艺性状并无明显影响。因此,最终能够促进水稻产量提升。

这一成果,为选育高产水稻新品种提供了新思路。

研究人员将调控“BR”代谢酶的基因导入到多个水稻品种中后发现,相对于非簇生品种,复粒稻二级枝梗数增多,穗粒数显著增加,而穗长、穗数、抽穗期和千粒重等其他产量性状都没有显著差异,最终产量增加11.27%~20.96%,且对籽粒品质没有负面影响。

过去,水稻育种领域普遍认为,水稻穗粒数和籽粒大小之间存在负相关——穗粒数越多,籽粒越小。这一研究结果则暗示,有的放矢地控制激素含量,可有效破解这种“负相关”。也就是说,精准控制激素含量,可以在水稻籽粒数量和重量之间取得平衡。不过,激素具有微量高效并易受环境影响的特点。如何通过精准控制激素,实现在不同环境条件下增产效果,还有待进一步深入研究。

其实,簇生现象在自然界许多物种中广泛存在。研究团队在其他物种中,也验证了以上簇生形成机制。它们通过对簇生辣椒和非簇生辣椒、具有簇生花的蔷薇和非簇生花的玫瑰进行“BR”代谢酶测量比较发现,和水稻一样,它们簇生与非簇生之间具有类似的“BR”代谢酶含量变化。这一结果暗示“BR”代谢酶含量控制簇生的机制在大自然中可能具有普遍性。

中国农科院作科所博士毕业生张晓星,助理研究员孟文静、刘大普以及福建农科院潘德灼博士为论文共同第一作者,中国农科院作科所童红宁研究员、福建农科院赵明富研究员、中国农科院作科所钱前院士为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、崖州湾种子实验室、中国农科院创新工程、福建省“5511”协同创新工程等项目资助。

责任编辑:赵睿

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