讓種子在收獲前「靜止」，中科院團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)水稻小麥「穗發(fā)芽」開關(guān)

（圖片來源：攝圖網(wǎng)）

作者|薌靈 來源|生輝Agri Tech(ID：SciPhi_AgriTech)

種子休眠是植物的一種自我保護(hù)策略，可在不適宜的環(huán)境中使種子保持“靜止”，直到環(huán)境條件變得有利于發(fā)芽。

為了加速繁殖，同時(shí)保證種子在生產(chǎn)中具有一致的萌發(fā)特性、播后更高和更均勻的出苗率，在以往的育種過程中，具有休眠性的種質(zhì)材料被慢慢淘汰。然而，這導(dǎo)致了更頻繁的“穗發(fā)芽”現(xiàn)象。

穗發(fā)芽，即收獲前發(fā)芽（Preharvest sprouting，PHS），指弱種子休眠所導(dǎo)致的母株上新鮮成熟的種子不必要的早期發(fā)芽。長(zhǎng)期以來，包括大米和小麥在內(nèi)的重要谷物，其 PHS 已成為世界范圍內(nèi)的嚴(yán)重問題，導(dǎo)致谷物質(zhì)量和產(chǎn)量的下降。并且，隨著近年來全球氣候變暖，該現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，威脅著全球作物生產(chǎn)。全世界每年小麥穗發(fā)芽所造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 10 億美元。

以中國(guó)為例，83% 的小麥種植地區(qū)受到不同程度穗發(fā)芽的影響。這些地區(qū)在小麥?zhǔn)斋@季節(jié)雨水較多，空氣潮濕，主要集中在西南冬麥區(qū)、長(zhǎng)江流域冬麥區(qū)、東北春麥區(qū)和黃淮冬麥區(qū)等地。而在南方水稻栽培區(qū)，受收獲季節(jié)梅雨影響，穗發(fā)芽會(huì)造成常規(guī)稻 6% 栽培面積的損失，雜交稻由于在制種過程中噴施赤霉素，使 PHS 現(xiàn)象更加嚴(yán)重，損失則高達(dá)栽培面積的 20%。

近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員儲(chǔ)成才與遺傳發(fā)育所高彩霞團(tuán)隊(duì)合作，找到了調(diào)控水稻、小麥穗發(fā)芽的基因，有望為 PHS 提供解決方法。該研究成果發(fā)表在 Nature Genetics，題為“Antagonistic control of seed dormancy in rice by two bHLH transcription factors”。

早在上世紀(jì) 50 年代，育種學(xué)家就開始就考慮從野生稻、雜草稻和古老地方種中開展強(qiáng)休眠種質(zhì)資源篩選，但由于種子休眠與萌發(fā)是一種復(fù)雜的數(shù)量性狀，受到大量位點(diǎn)的調(diào)控，基因克隆面臨諸多瓶頸，導(dǎo)致用于改良穗發(fā)芽的關(guān)鍵基因資源至今依然十分稀缺。

對(duì)于這項(xiàng)研究成果，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)農(nóng)科院作物研究所所長(zhǎng)錢前評(píng)價(jià)說：“相關(guān)研究成果是近年來國(guó)內(nèi)外利用種質(zhì)資源挖掘有利基因并快速應(yīng)用到育種創(chuàng)新的典范性工作，為有效利用古老地方種質(zhì)資源提供了借鑒。”

在該研究中，為了鑒定水稻種子休眠自然變異的基因，研究人員將弱休眠品種 Nipponbare 和強(qiáng)休眠品種 Kasalath 雜交，從中篩選了幾種染色體單片段代換系（CSSSL）。種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)表明，5 種 CSSSL 的種子休眠性強(qiáng)于 Nipponbare。

選擇 CSSSL 其中的一個(gè)品系 Q27 進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)其中 Kasalath 的 6 號(hào)染色體上的一段已知的種子休眠 QTL 已經(jīng)滲入了 Nipponbare 的遺傳背景。新鮮收獲的 Q27 種子表現(xiàn)出接近 Kasalath 的休眠狀態(tài)，表明取代片段含有具有較大影響作用的種子休眠位點(diǎn)，因此被稱為 SD6。

進(jìn)一步的分析表明，LOC_Os06g06900 是 SD6 位點(diǎn)的功能基因，是種子休眠的負(fù)調(diào)節(jié)因子，而不是成熟后種子萌發(fā)的負(fù)調(diào)節(jié)因子。sd6 突變體的每穗粒數(shù)也顯著增加，這使得 SD6 成為育種 PHS 抗性和增產(chǎn)品種的良好候選者。

隨后，以 SD6 為“誘餌”，研究人員通過酵母雙雜交（Y2H）篩選 SD6 相互作用蛋白，發(fā)現(xiàn)了與 SD6 相互作用的轉(zhuǎn)錄因子ICE2。有趣的是，雖然 SD6 和 ICE2 都在種子中表達(dá)，但 SD6 轉(zhuǎn)錄本的水平隨著種子發(fā)育而降低，而 ICE2 轉(zhuǎn)錄本的水平以更高的數(shù)量級(jí)增加，這意味著 SD6 和 ICE2 在調(diào)節(jié)種子休眠中的作用不同。

與野生型相比，ICE2 敲除導(dǎo)致對(duì) PHS 的敏感性顯著增強(qiáng)，而 ICE2 過表達(dá)系的種子具有強(qiáng)休眠表型。這些結(jié)果表明，ICE2 在種子休眠中的作用與 SD6 相反。此外，與 sd6 突變體不同，ice2 突變體每個(gè)穗的粒數(shù)減少。

“簡(jiǎn)單來說，它們就像兩個(gè)相互制衡的伙伴，SD6 像‘油門’，能夠促進(jìn)種子萌發(fā)；而 ICE2 就像‘剎車’，可以促進(jìn)休眠。”儲(chǔ)成才在接受《科學(xué)網(wǎng)》的采訪時(shí)說。

脫落酸（ABA）在種子休眠中的作用已被許多遺傳和生理學(xué)研究充分證明。因此，研究人員在授粉后 21-25 天（水稻種子通常在此時(shí)段進(jìn)入休眠階段）檢測(cè)了 sd6 和 ice2 突變體種子中的 ABA 含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SD6 和 ICE2 通過調(diào)節(jié) ABA 代謝基因的表達(dá)來控制種子中的 ABA 含量，且 SD6 和 ICE2 對(duì) ABA 代謝基因的調(diào)節(jié)具有拮抗作用。

研究還發(fā)現(xiàn)，SD6 和 ICE2 可以相應(yīng)溫度信號(hào)：當(dāng)種子處于室溫時(shí)，SD6 上調(diào)，觸發(fā)種子萌發(fā)；而 ICE2 在低溫下表達(dá)增加，維持種子休眠。這有利于種子在較高溫度下破除休眠進(jìn)行萌發(fā)；低溫時(shí)維持休眠以順利越冬。

值得注意的是，通過基因組編輯 SD6 及其小麥同系物，證明了 SD6 是田間條件下緩解谷物 PHS 的有用育種靶點(diǎn)。

通過 CRISPR-Cas9 編輯天隆 619、武運(yùn)粳 27 號(hào)以及淮稻 5 號(hào)三個(gè)經(jīng)常患有嚴(yán)重 PHS 的優(yōu)質(zhì)水稻品種，結(jié)果表明，三個(gè)品種的遺傳背景中的 SD6 敲除都有效阻止了 PHS 的發(fā)生。且不會(huì)對(duì)其他農(nóng)藝性狀產(chǎn)生副作用，表明 SD6 的應(yīng)用是預(yù)防水稻 PHS 的潛在策略。

在小麥中，TraesCS7A02G126900（TaSD6-A1），TraesCS7B02G026300（TaSD6-B1）和 TraesCS7D02G124700（TaSD6-D1）與 SD6 具有最高的氨基酸序列相似性。為了確認(rèn) TaSD6 與小麥種子休眠之間的關(guān)系，研究人員利用 CRISPR-Cas9 在弱休眠小麥品種 Kenong199 中生成了 TaSD6 的三隱性雙等位基因突變體（aabbdd）。

有趣的是，三隱性純合突變體（tasd6）與水稻 sd6 突變體一樣表現(xiàn)出強(qiáng)烈的種子休眠狀態(tài)，進(jìn)一步證實(shí)三隱性純合突變體 TASD6 的生成是增強(qiáng)小麥種子休眠的快速有效的育種策略，因此證明了 SD6 的廣泛應(yīng)用前景。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1038/s41588-022-01240-7

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：生輝Agri Tech(ID：SciPhi_AgriTech)，作者：薌靈