“鱼与熊掌”农艺之困水稻是最重要的作物之一

水稻育种专家经常遇到一些头疼的问题：雄穗大了，雄穗数量减少了，抗病的没有高产，高产的没有高品质……优良性状相辅相成，难上加难。鱼与熊掌兼得。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家阳院士团队揭示了水稻产量核心要素穗重与穗数相互制约的分子机制，提供了新的遗传资源和研究思路。突破上述养殖瓶颈。

北京时间2022年4月21日23:00，相关论文发表在Nature-Biotechnology上。

“鱼与熊掌”的困境

水稻是最重要的主粮作物之一，养活着世界一半以上的人口。 水稻产量主要由三个核心要素决定：穗数、每穗粒数、粒重。

然而，这三个性状在水稻中通常呈负相关。 例如，当耳朵增加时，耳朵的数量就会减少。

“这种特质之间的潮起潮落的现象被称为权衡效应。” 论文第一作者、中国科学院遗传与发育研究所副研究员宋晓光向《中国科学报》解释说，它是植物在长期的过程中选择性进化，因为植物在自然环境中生长时可利用的资源是有限的，在增强某些性状的同时，必须削弱其他性状。

科学家发现，这些不同农艺性状之间的权衡效应可能与两个因素有关——连锁阻力或基因多效性。

据介绍，连锁拖累是指传统回交育种中引入有利基因，引入与其连锁的不利基因，导致育种后代的表型与预期结果不一致。 目前，这个问题可以通过基因精细定位和交换重组来解决。

然而，目前还没有有效的方法来消除基因多效性带来的权衡效应。 目前的基因功能研究主要着眼于某个基因所产生的优良表型，但往往忽视了它同时带来的负面影响，使得在育种实践中很难摆脱这种负面影响，而且只有少数基因都可以得到很好的利用。

遗传多效性导致的表型之间的权衡效应能否得到解决？ 为了回答这个问题，研究团队利用基因编辑技术，对水稻理想株型的主调控基因IPA1进行了编辑，实现了穗重和穗数优良表型的“鱼与熊掌兼得”，突破了现在的局面。 存在养殖瓶颈。

图：打破性状联动、突破水稻产量瓶颈的分子机制。作者供图

“切断”特质联动

IPA1是李家阳团队先前发现的一个典型的多效性基因。 它可以调控水稻生长发育的多个方面，在调节水稻抗病性和环境适应性方面也发挥着重要作用。

“增加水稻中IPA1的表达量，可以增加水稻每穗的粒数，使水稻的穗数变大，但同时会减少每株水稻长出的穗数（分蘖数），这影响其增产潜力。” 宋晓光说，“如果能够只增加穗部中IPA1的表达量，使其只增加穗数而不影响穗数，甚至增加穗数，则可以进一步提高水稻的产量。” ”

为了突破基因多效性造成的穗和分蘖之间的限制关系，研究团队提出修改IPA1的表达调控区，以调节其在幼穗、茎基部等组织中的表达水平，以实现不同的表型。 采取具体监管策略来打破收益率因素之间的负面影响。

宋晓光介绍，基因可以分为编码区和表达调控区（顺式调控区）。 编码区决定了基因编码产物的功能，而表达调控区决定了基因在哪些组织和器官中表达、何时表达以及表达多少。

“无论是编码区的变异还是表达调控区的变异，都在农作物的驯化和改良中发挥了关键作用。但由于技术方法的限制，以往的研究大多集中在编码区，而关于表达调控区域的研究非常缺乏。” 他说。

利用“基因剪刀”CRISPR/Cas9技术，研究团队系统性删除了IPA1基因的表达调控区，以研究其功能。

“基因编辑工具非常强大，可以编辑基因的任何片段，但是要编辑哪里才能打破负面影响，我们需要识别这些片段。” 论文通讯作者、中国科学院遗传与发育研究所研究员于红表示，“为此，他们将IPA1基因的表达调控区像“瓦片”一样分成了很多片段，并分别删除，推断： “whichtile”包含重要的启动子调控元件。

通过这种方法，他们从表达调控区域缺失的水稻品系中发现了一种可以同时增加穗数和穗大小的物质IPA1-Pro10。 表现型为体重和穗数同时增加，株高增高，茎、根系粗大。

新材料能增产多少？ 对此，课题组对3个田间地块进行了产量测定和鉴定，结果表明，新材料IPA1-Pro10比对照品种中华11增产15.9%，大幅度提高了水稻产量。

“这是最早在植物中成功运用‘启动子敲除’策略的研究之一，对于促进水稻产量提高来说是一个重要突破。” 一位审稿人评论道。

为了了解其背后的机制，团队进一步研究表明，驯化关键转录因子An-1可以通过结合54bp关键顺式作用元件中的GCGCGTGT基序，特异性调控幼穗中IPA1的表达水平，然后专门调节圆锥花序的表面类型。

引领养殖新潮流

谈到这项研究的最大亮点，喻红表示，传统育种利用自然界现有的资源，将优秀的基因聚合在一起，创造新的种质。 前提是我们想要的优良基因存在于某个品种中。 为了打破穗数、穗重等优良性状之间通常的“共存、相互制约”，需要创造新的资源。

新研究通过“瓦片”瓦片删除策略，对水稻关键基因的表达调控区进行编辑筛选，成功消除了水稻产量关键要素之间的负相关关系，为打破水稻产量瓶颈提供了有效途径。新的遗传资源。 战略。

“这是一个值得关注的研究趋势，也是理解多个数量性状基因之间相互作用的分子机制的重要进展。” 一位审稿人说。

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编辑| 残留物

排版| 王大学

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