近日，中國農業科學院作物科學研究所童紅寧研究員領銜的研究團隊，破譯了國際關注近百年的水稻種質資源“復粒稻”形成的遺傳基礎，揭示了植物激素油菜素甾醇（BR）調控水稻穗粒數的機制，為培育高產水稻新品種提供了理論基礎和新路徑。研究成果以長文形式在線發表于《科學（Science）》。
復粒稻是一種具有多粒簇生特點的水稻種質資源，自二十世紀三十年代被世界各國陸續報道以來，因其獨特的表型引起了眾多科學家的關注，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間內，但一直未克隆到具體基因，復粒稻形成的遺傳機制始終是未解之謎。
為了尋找目標基因，研究團隊對復粒稻種質進行了大規?；瘜W誘變，創制了1萬份（約16萬個單株）復粒稻誘變株系，通過在田間逐一仔細鑒定穗部特征，從中篩選出2份不簇生的突變體株系，終于定位到發生突變的基因 BRD3 ，在復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現， CL 位點不僅包含了 BRD3 基因，還包含了激活其表達的復雜染色體結構變異，解釋了其通過傳統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控穗粒數的分子通路。實驗顯示，復粒稻中 BRD3 基因僅在水稻二級分枝分生組織部位被 CL 位點中的結構變異適度的激活表達，降低了油菜素甾醇含量從而使得穗粒數增多，對粒重等農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，復粒稻二級枝梗數可增加35.2%，穗粒數增加28.2%，最終產量可增加11.27%~20.96%。該研究首次發現油菜素甾醇具有通過調控水稻穗二級分枝決定穗粒數的作用，同時反映了油菜素甾醇的作用具有時空特異性，為破解水稻穗粒數和粒重之間的負相關平衡關系提供了新的技術路徑，為未來水稻新品種改良、實現產量突破提供了可能。此外，該研究也通過數據證實了自然界中油菜素甾醇調控花序發育的新功能。
中國科學院院士李家洋認為，該研究發現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，而不影響粒重和品質，一定程度上破解了兩者之間的負相關平衡關系，是一種極有潛力的分子設計策略。該策略對于其它激素的運用也具有參考意義，尤其是在植物體內具有動態轉運的激素，如生長素和細胞分裂素等。未來應在作物中進一步加強植物激素空間分布調控的相關基礎研究，為開展多性狀的協同改良奠定基礎，最終實現糧食的高產穩產，保障國家糧食安全。
中國科學院院士林鴻宣認為，復粒稻歷史悠久，近年來很多人對其簇生表型開展研究，但相關調控基因克隆難度大，一直未能成功，現在終于解開了答案，發現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，也是突破當前作物產量瓶頸的有效途徑，應給予高度重視。
該研究得到了國家自然科學基金、中國農科院科技創新工程、崖州灣種子實驗室、福建省“5511”協同創新工程等項目資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838
