破解水稻小麦穗发芽问题 中国科学家找到“双剑合璧”基因“开关”

北京12月6日电 (记者 孙自法)作为中国两大主粮，水稻、小麦相关育种研究工作长期以来一直备受关注。

来自中国科学院遗传与发育生物学研究所(中科院遗传发育所)的最新消息说，该所储成才团队和高彩霞团队通过合作研究，最新找到调控水稻、小麦穗发芽问题的一对基因“开关”，包括负调控种子休眠的关键基因SD6和正调控种子休眠的基因ICE2。

研究团队认为，这一对基因“双剑合璧”，有望为因种子穗发芽导致的大规模农业损失提供解决方案。此项粮食作物领域的重要研究成果论文，北京时间12月6日凌晨在国际专业学术期刊《自然-遗传学》上线发表。

水稻小麦穗发芽的危害性有多大？

中科院遗传发育所研究团队介绍说，种子休眠是指种子在适合它生长的条件(温度、水分和氧气等)下仍不能发芽的现象，是多数高等植物共有的特点。作物驯化过程中由于更多考虑高产、优质、抗病虫及耐受逆境性状，同时保证在生产中种子具有一致的萌发特性，常常忽视了对种子适度休眠的保留，从而导致很多作物如水稻、小麦会发生穗发芽现象(种子收获前成熟期如遇连阴雨不能及时收获，常出现部分籽粒在穗上发芽的现象)，严重影响作物的产量和品质，造成巨大的经济损失。仅在面包小麦中，全球每年由于穗发芽造成的损失就高达10亿美元。

在中国南方水稻栽培区，受收获季节梅雨的影响，穗发芽会造成常规稻6%栽培面积的损失，而杂交稻的损失则高达栽培面积的20%。近年来，随着全球气候变暖，农业生产上水稻小麦等在后期成熟期常常遭遇连阴天气，使得穗发芽灾害频繁发生。如中国长江中下游以及黄淮地区等冬小麦主产区在2013、2015及2016年均遭受严重的穗发芽灾害。在2016和2020年，受台风影响，江浙地区水稻、玉米等也爆发大面积穗发芽，造成严重减产。

更为严重的是，在作物制种后期如发生连绵阴雨天气，引起穗发芽将对制种产业造成难以估量的损失，甚至影响下季播种。因此，找到水稻、小麦等控制种子休眠的关键基因，阐明种子休眠调控的分子生理机制，挖掘其优良等位变异，对解决水稻等作物穗发芽灾害至关重要。

SD6/ICE2分子模块作用模型及应用实例。 中科院遗传发育所 供图

一对调控基因“开关”怎样被找到？

虽然破解水稻小麦穗发芽问题迫在眉睫，但种子休眠是一个极其复杂的农艺性状，受到大量数量性状位点的调控，因此，克隆调控种子休眠基因一直面临诸多瓶颈。

在本项研究中，储成才团队通过利用强休眠的水稻品种“卡萨拉斯”和弱休眠水稻品种“日本晴”构建染色体单片段代换系，成功从强休眠水稻品种中克隆到一个控制水稻种子休眠的关键基因SD6，并证实SD6负调控水稻种子休眠。在此基础上，研究团队进一步通过筛选SD6互作蛋白发现另一水稻转录因子ICE2，而且ICE2正调控种子休眠。

针对植物激素脱落酸(ABA)是调控植物休眠萌发的主要内因，研究团队通过分子生物学、遗传及生化等技术，揭示出SD6/ICE2分子模块通过直接或间接调控ABA的合成或代谢基因，进而调控水稻种子ABA含量以及种子休眠。

种子休眠既受遗传调控，也可通过种子所处环境来调节。储成才团队研究发现，SD6/ICE2分子模块能够感知周边环境温度的种子休眠调控因子：常温条件下，SD6基因表达维持高水平，发挥其功能，而ICE2基因功能则受到明显抑制，从而促进种子萌发；低温条件下，SD6基因功能则受到明显抑制，ICE2基因表达量上调，进而发挥功能，从而使种子维持在休眠状态。

研究成果实践应用效果如何？

研究团队认为，通过感知外界环境温度变化，SD6/ICE2此消彼长，进一步控制种子中ABA含量，从而调控种子休眠强度，确保其适应自然季节更替，繁衍成功。

基于调控水稻、小麦穗发芽问题的这对基因“开关”，在农作物育种的实际应用效果如何？

储成才团队通过基因编辑技术，对水稻易穗发芽品种“天隆619”“武运粳27号”及“淮稻5号”中的SD6基因进行改良，结果显示，改良的水稻材料在收获期遭遇连绵阴雨天气，其穗发芽情况显著改善。

与此同时，高彩霞团队对小麦品种“科农199”的TaSD6基因进行改良，结果也可以大大提高小麦穗发芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麦控制种子休眠的功能是一样的。

中科院遗传发育所表示，这些最新研究成果都表明，SD6/ICE2在水稻、小麦穗发芽抗性育种改良中具有重要应用价值。(完)

【编辑:黄钰涵】