2022-12-08 09:58:04
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所儲成才團隊和高彩霞團隊找到了調控水稻、小麥穗發(fā)芽問題的兩個“開關”，包括負調控種子休眠的關鍵基因SD6，和正調控種子休眠的基因ICE2。研究者認為兩個基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發(fā)芽導致的大規(guī)模農業(yè)損失提供解決方法。該成果12月6日在線發(fā)表于《自然—遺傳學》雜志。
種子休眠是指種子在適合它生長的條件（溫度、水分和氧氣等）下仍不能發(fā)芽的現(xiàn)象，是多數(shù)高等植物所共有的特點。作物馴化過程中由于更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質、抗病蟲及耐受逆境性狀，同時保證在生產(chǎn)中種子具有一致的萌發(fā)特性，常常忽視了對種子適度休眠的保留，從而導致很多作物如水稻、小麥會發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象（種子收獲前成熟期如遇連陰雨不能及時收獲，常出現(xiàn)部分籽粒在穗上發(fā)芽的現(xiàn)象），嚴重影響了作物的產(chǎn)量和品質，造成巨大的經(jīng)濟損失。僅在面包小麥中，全球每年由于穗發(fā)芽造成的損失就要高達10億美元。
2020年中國各地水稻穗發(fā)芽情況。
在中國南方水稻栽培區(qū)，受收獲季節(jié)梅雨的影響，穗發(fā)芽會造成常規(guī)稻6%栽培面積的損失，而雜交稻的損失則高達栽培面積的20%。近年來，隨著全球氣候變暖，農業(yè)生產(chǎn)上水稻小麥等在后期成熟期常常遭遇連陰天氣，使得穗發(fā)芽災害頻繁發(fā)生。如我國長江中下游以及黃淮地區(qū)等冬小麥主產(chǎn)區(qū)在2013、2015及2016年均遭受嚴重的穗發(fā)芽災害。在2016和2020年，受臺風影響，江浙地區(qū)水稻、玉米等也暴發(fā)大面積穗發(fā)芽，造成嚴重減產(chǎn)。
更為嚴重的是，在作物制種后期如發(fā)生連綿陰雨天氣，引起穗發(fā)芽將對制種產(chǎn)業(yè)造成難以估量的損失，甚至影響下季播種。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關鍵基因，闡明種子休眠調控的分子生理機制，挖掘其優(yōu)良等位變異，對解決水稻等作物穗發(fā)芽災害至關重要。
然而，種子休眠是一個極其復雜的農藝性狀，受到大量數(shù)量性狀位點的調控，因此，克隆調控種子休眠基因一直面臨諸多瓶頸。中國科學院遺傳發(fā)育所儲成才團隊通過利用強休眠的水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種日本晴構建染色體單片段代換系，成功地從強休眠水稻品種中克隆到一個控制水稻種子休眠的關鍵基因SD6，并證實了SD6負調控水稻種子休眠。通過篩選SD6互作蛋白，研究團隊發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉錄因子ICE2，且ICE2正調控種子休眠。
植物激素脫落酸（ABA）是調控植物休眠萌發(fā)的主要內因。通過分子生物學、遺傳及生化等技術，研究團隊揭示了SD6/ICE2分子模塊通過直接或間接地調控ABA的合成或代謝基因，進而調控水稻種子ABA含量以及種子休眠。
種子休眠既受遺傳調控，也可通過種子所處環(huán)境來調節(jié)。溫度是影響種子休眠和萌發(fā)最主要的環(huán)境因子。溫暖環(huán)境通常能解除種子休眠，促進種子萌發(fā)，而低溫則使種子維持休眠狀態(tài)。種子通過這種感知外界環(huán)境的能力，可以讓種子度過不利環(huán)境條件，如冬季低溫等。
研究團隊發(fā)現(xiàn)SD6/ICE2分子模塊是能夠感知周邊環(huán)境溫度的種子休眠調控因子：在常溫條件下，SD6基因表達維持高水平，發(fā)揮其功能，而ICE2基因功能則受到明顯抑制，從而促進種子萌發(fā)；在低溫條件下，SD6基因功能則受到明顯抑制，ICE2基因表達量上調，進而發(fā)揮功能，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。即通過感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2此消彼長，進一步控制種子中ABA含量，從而調控種子休眠強度，確保其適應自然季節(jié)更替，繁衍成功。
研究團隊通過基因編輯技術對水稻易穗發(fā)芽品種天隆619、武運粳27號以及淮稻5號中的SD6基因進行改良，發(fā)現(xiàn)改良的水稻材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣，其穗發(fā)芽情況顯著改善。
有意思的是，高彩霞團隊對小麥品種“科農199”的TaSD6基因進行改良，也可以大大提高小麥穗發(fā)芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥控制種子休眠的功能是保守的。這些研究成果都表明，SD6在水稻、小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中具有重要應用價值。
SD6/ICE2分子模塊作用模型及應用實例。a圖為SD6/ICE2分子模塊作用模型示意圖。b圖為改良前后水稻品種穗發(fā)芽情況。c圖為改良前后小麥品種穗發(fā)芽情況。
儲成才團隊已畢業(yè)博士生徐凡、唐久友副研究員、高彩霞團隊博士后王升星、儲成才團隊博士后程曦為該論文共同第一作者。該項研究得到了科技部G2P項目、中國科學院戰(zhàn)略性先導專項、中國科學院前沿科學重點研究項目以及國家自然科學基金的支持。
返回頂部