水稻作為全世界最重要的糧食作物之一，養(yǎng)育著全球半數(shù)以上的人口。水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)直接關(guān)乎我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前，我國作物遺傳育種技術(shù)處于表型選擇到分子育種的過渡階段，突破作物傳統(tǒng)遺傳育種的瓶頸，發(fā)展精準高效的分子設(shè)計育種，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆的作物優(yōu)良品種已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。水稻產(chǎn)量性狀主要由分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒重三個要素構(gòu)成。它們之間相輔相成。當前，由于作物復雜性狀之間的偶聯(lián)性和權(quán)衡效應，導致克隆的一些重要基因未在育種實踐中廣泛應用，或者只有少數(shù)馴化選擇相關(guān)基因以及部分具有弱突變效應的等位基因被利用，使得品種間同質(zhì)化嚴重、遺傳多樣性降低。因此，如何打破復雜性狀之間的偶聯(lián)性，找到性狀之間相互作用及維持平衡的關(guān)鍵節(jié)點，進而耦合優(yōu)異等位變異，有效實現(xiàn)復雜性狀的精準改良，是分子設(shè)計育種研究亟待解決的關(guān)鍵科學問題。
為了解析作物復雜性狀偶聯(lián)的分子遺傳基礎(chǔ)，中國科學院院士、中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員林鴻宣研究組以水稻產(chǎn)量性狀關(guān)鍵構(gòu)成要素每穗粒數(shù)和粒型作為切入點，在水稻中克隆了調(diào)控每穗粒數(shù)和粒型協(xié)調(diào)發(fā)育平衡的重要基因GSN1.在此基礎(chǔ)上提出并建立了水稻穗型發(fā)育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級聯(lián)信號通路，并證實GSN1是該信號通路的負調(diào)控因子，由此構(gòu)建了產(chǎn)量性狀穗型與粒型協(xié)調(diào)發(fā)育平衡的分子模塊GSN1-MAPK(Guo et al. Plant Cell，2018)。研究組進一步通過鑒定水稻關(guān)鍵類受體激酶基因OsER1.建立了調(diào)控水稻穗型發(fā)育的OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6-DST-OsCKX2信號通路(Guo et al. Plant Cell，2020)。盡管該通路是目前已報道的水稻穗型發(fā)育調(diào)控較為完整的信號通路，但類受體激酶OsER1上游特異性的小肽配體分子尚不清楚。
3月24日，林鴻宣研究組和清華大學生命科學學院教授柴繼杰研究組合作，在《自然-通訊》(Nature Communications)上，發(fā)表了題為Optimization of rice panicle architecture by specifically suppressing ligand-receptor pairs的研究論文，揭示了小肽-類受體激酶信號特異性調(diào)控水稻穗型發(fā)育的分子機制，首次通過特異性抑制小肽配體-受體對打破水稻產(chǎn)量性狀之間的偶聯(lián)性，塑造水稻理想穗型，為作物分子設(shè)計育種提供新模塊。
2017年，研究組鑒定類受體激酶基因OsER1的功能缺失突變體oser1發(fā)現(xiàn)，盡管秈稻豐矮占1號(FAZ1)背景下的oser1突變體表現(xiàn)為粗稈大穗，且抗衰老，但因育性損失，水稻產(chǎn)量并沒有提高。由于缺少優(yōu)良的等位變異或弱突變，復雜性狀之間的偶聯(lián)性帶來的權(quán)衡效應使得OsER1基因缺少育種價值。研究組思考，除了利用啟動子基因編輯大規(guī)模創(chuàng)建人工QTL篩選優(yōu)良的等位變異之外，能否通過其他策略打破復雜性狀之間的偶聯(lián)性和權(quán)衡效應，從而塑造高產(chǎn)的水稻理想穗型?
研究組以水稻OsEPF/OsEPFLs基因家族為切入點，系統(tǒng)鑒定了該家族成員基因的表達模式，進一步利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，在秈稻FAZ1背景下通過敲除OsEPFL5、OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9等小肽編碼基因，獲得了一系列基因功能缺失突變體。這些單突在不同程度上影響了水稻每穗粒數(shù)、粒型大小和育性等產(chǎn)量性狀。研究通過考察不同突變組合的9種雙突表型發(fā)現(xiàn)，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9負向協(xié)同調(diào)控水稻每穗粒數(shù)，而OsEPFL5具有正向調(diào)控功能。研究考慮到OsER1基因的負向調(diào)控功能，推測OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9可能是識別OsER1類受體激酶、特異性調(diào)控水稻穗型發(fā)育的小肽配體。進一步，研究組與柴繼杰研究組合作，通過體外表達和純化類受體激酶OsER1胞外域和不同成熟肽配體，利用體外和體內(nèi)生化實驗證明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9成熟肽可以識別類受體蛋白激酶OsER1.從而激活下游的MAPK級聯(lián)信號。同時，遺傳上位性分析表明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9作用于OsER1的上游發(fā)揮功能。研究發(fā)現(xiàn)OsEPFL8基因特異性參與水稻育性的形成，研究考察不同突變組合的5個三突和四突的產(chǎn)量性狀發(fā)現(xiàn)，雖然三突osepfl6;7;8、osepfl6;7;9、osepfl6;8;9、osepfl7;8;9和四突osepfl6;7;8;9均表現(xiàn)出與oser1突變體類似的表型，但四突osepfl6;7;8;9和oser1突變體的表型近乎一致。研究考察不同突變組合的產(chǎn)量性狀發(fā)現(xiàn)，由于沒有影響水稻的育性，三突osepfl6;7;9單株產(chǎn)量提高了約14.4%，小區(qū)測產(chǎn)相較于FAZ1增產(chǎn)約7.3%。研究證明，通過特異性抑制OsEPFL6-OsER1、OsEPFL7-OsER1和OsEPFL9-OsER1配體-受體可以打破水稻產(chǎn)量性狀之間的偶聯(lián)性，從而優(yōu)化水稻穗型結(jié)構(gòu)，塑造高產(chǎn)的理想穗型。綜上所述，該研究不僅揭示了小肽-類受體激酶信號調(diào)控水稻花序形態(tài)建成的分子機制，并證明了一種合理的分子設(shè)計思路即通過特異性抑制配體-受體對來克服復雜性狀之間的偶聯(lián)和權(quán)衡效應，為未來作物分子設(shè)計育種提供新的分子模塊。
研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院、嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室、中國博士后科學基金會等的支持。
2023年3月27日
來源：中國科學院
