百事通！中国科学家找到调控水稻小麦穗发芽的“开关” 在国际上还实现这个首次

• 2022-12-06 09:49:20 来源：凤凰网

据央视新闻12月6日消息，经过研究攻关，中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才团队和高彩霞团队日前找到了调控水稻、小麦穗发芽问题的两个“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。研究者认为两个基因“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法。该成果12月6日在线发表于《自然—遗传学》杂志。

【资料图】

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，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），严重影响了作物的产量和品质，造成巨大的经济损失，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。

中国科学院遗传发育所科研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，成功地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，并证实了SD6负调控水稻种子休眠。通过筛选SD6互作蛋白，研究团队发现了另一水稻转录因子ICE2，且ICE2正调控种子休眠。

研究团队发现SD6/ICE2分子模块是能够感知周边环境温度的种子休眠调控因子：在常温条件下，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；在低温条件下，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。即通过感知外界环境温度变化，SD6/ICE2此消彼长，进一步控制种子中植物激素脱落酸含量，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。

研究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号以及淮稻5号中的SD6基因进行改良，发现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。研究团队对小麦品种科农199的TaSD6基因进行改良，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保守的。这些研究成果都表明，SD6在水稻、小麦穗发芽抗性育种改良中具有重要应用价值。

值得关注的是，我国在国际上还首次完成水稻从种子到种子全生命周期空间培养实验。据央视新闻报道，在我国空间站生命科学项目中，中国科学院分子植物科学卓越创新中心郑慧琼研究团队承担了“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”，在国际上首次开展了水稻从种子到种子全生命周期培养实验。同时，开花是结种子的前提，研究团队利用模式植物拟南芥，也系统地研究了空间微重力对植物开花的影响。

从2022年7月29日注入营养液启动实验，至11月25日结束实验，本项目共在轨开展实验120天，完成了拟南芥和水稻种子萌发、幼苗生长、开花结籽全生命周期的培养实验。其间航天员在轨进行了三次样品采集，包括9月21日孕穗期水稻样品采集；10月12日拟南芥开花期样品采集和11月25日水稻和拟南芥种子成熟期样品采集。采集后，开花或孕穗期样品保存于-80℃低温存储柜中，种子成熟期样品保存于4℃低温存储柜。12月4日，样品随神舟十四号返回地面。按计划在北京交接样品后，转运至上海实验室中做进一步检测分析。

本次空间项目主要完成的实验内容包括：（1）在轨完成了水稻从种子萌发、幼苗生长、抽穗和结籽全生命周期的培养实验并通过获取图像进行分析；（2）完成了剪株后空间再生稻成功培育并结出了成熟的种子（二茬）。（3）在轨完成拟南芥种子萌发、幼苗生长和不同三个生物钟调控的开花关键基因对空间微重力响应的图像观察分析并在轨采集了样品。

通过对空间获取的图像分析，并与地面对照比较，发现空间微重力对水稻的多种农艺性状，包括株高、分蘖数、生长速率、水分调控、对光反应、开花时间、种子发育过程以及结实率等多方面的影响。实验初步发现：

（1）水稻的株型在空间变得更为松散，主要是茎叶夹角变大；矮秆水稻变得更矮，高秆水稻的高度没有受到明显的影响。此外，生物钟控制的水稻叶片生长螺旋上升运动在空间更为凸显。

（2）水稻空间开花时间比地面略有提前，但是，灌浆时间延长了10多天，大部分颖壳不能关闭。开花时间和颖壳闭合均是水稻的重要农艺性状，二者在保障植物充分生殖生长、获得高产优质种子方面都有重要作用，此过程受到基因表达的调控，后续将利用返回样品进一步分析。

（3）在空间进行再生稻实验并获得再生稻的种子，从剪株20天后就可以再生出2个稻穗，说明空间狭小的封闭环境中再生稻是可行的，为空间作物的高效生产提供了新的思路和实验证据。该技术可以大大增加单位体积中的水稻产量，也是国际上首次在空间尝试的再生稻技术。

（4）首次对空间生物钟调控光周期开花的关键基因进行研究。利用基因突变和转基因的方法，构建了三种不同开花时间的拟南芥，分别是：提前开花，延迟开花和正常开花（野生型），通过对空间拟南芥生长发育的图谱观察与分析，发现开花关键基因对微重力的响应与地面有明显的差异，其中在地面提早开花的拟南芥在微重力条件下开花时间也大大地延长。此外，生物钟基因突变后，空间拟南芥的下胚轴过度伸长，说明生物钟基因表达对于维持拟南芥在空间生长的正常形态和适应空间环境非常重要，为今后利用改造开花基因来促进植物适应空间微重力环境提供了新方向。后续研究团队将进一步利用返回材料对拟南芥适应空间环境的分子基础进行深入解析。

标签： 种子休眠

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