水稻、小麥在成熟期，如果遇到連綿陰雨天，不能及時(shí)收獲，籽粒就可能在穗上提前發(fā)芽。這種不按套路出牌的現(xiàn)象，是一種世界性的自然災(zāi)害。

12月6日，《自然—遺傳學(xué)》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)和高彩霞團(tuán)隊(duì)關(guān)于穗發(fā)芽的重要研究成果。他們找到了調(diào)控水稻、小麥穗發(fā)芽的 “開(kāi)關(guān)”——負(fù)調(diào)控種子休眠的關(guān)鍵基因SD6和正調(diào)控種子休眠的基因ICE2。該成果為解決水稻小麥等作物穗發(fā)芽災(zāi)害提供了重要基礎(chǔ)。

種子成熟后要保持適度的休眠

(資料圖片)

穗發(fā)芽是農(nóng)作物種子在收獲前由于潮濕天氣誘發(fā)的在母體植株上發(fā)芽的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

“在中國(guó)南方水稻栽培區(qū)，受收獲季節(jié)梅雨的影響，穗發(fā)芽會(huì)造成常規(guī)稻6%栽培面積的損失，而雜交稻的損失則高達(dá)栽培面積的20%。”儲(chǔ)成才表示。

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上水稻小麥等在后期成熟期常常遭遇連綿陰雨天氣，使得穗發(fā)芽災(zāi)害頻繁發(fā)生。如我國(guó)長(zhǎng)江中下游以及黃淮地區(qū)等冬小麥主產(chǎn)區(qū)在2013年、2015年及2016年均遭受嚴(yán)重的穗發(fā)芽災(zāi)害。在2016年和2020年，受臺(tái)風(fēng)影響，江浙地區(qū)水稻、玉米等也出現(xiàn)大面積穗發(fā)芽，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。

更為嚴(yán)重的是，在作物制種后期，如果發(fā)生連綿陰雨天氣引起穗發(fā)芽，將對(duì)制種產(chǎn)業(yè)造成難以估量的損失，甚至影響下季播種。

“防止穗發(fā)芽發(fā)生的有效途徑是使種子成熟后保持適度的休眠，使其既不會(huì)發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象，又不至于因休眠過(guò)深影響田間出芽率。”儲(chǔ)成才說(shuō)，“因此找到水稻、小麥等作物中控制種子休眠的關(guān)鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機(jī)制，對(duì)解決水稻、小麥等作物穗發(fā)芽災(zāi)害至關(guān)重要。”

“然而，種子休眠是一個(gè)極其復(fù)雜的農(nóng)藝性狀，受到大量數(shù)量性狀基因位點(diǎn)的調(diào)控。因此，克隆調(diào)控種子休眠基因一直面臨很多難題。”儲(chǔ)成才直言。

2020年中國(guó)各地水稻穗發(fā)芽情況

SD6/ICE2分子模塊作用模型及應(yīng)用

SD6/ICE2基因表達(dá)調(diào)控種子休眠強(qiáng)度

利用強(qiáng)休眠水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種日本晴，儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出一套染色體單片段代換系，成功地從強(qiáng)休眠水稻品種中克隆到一個(gè)控制水稻種子休眠的關(guān)鍵基因SD6，并證實(shí)了SD6負(fù)調(diào)控水稻種子休眠。

與此同時(shí)，通過(guò)篩選SD6互作蛋白，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)水稻轉(zhuǎn)錄因子ICE2，并證實(shí)了ICE2正調(diào)控種子休眠。

“種子休眠既受遺傳調(diào)控，也可通過(guò)種子所處環(huán)境來(lái)調(diào)節(jié)。溫度是影響種子休眠和萌發(fā)最主要的環(huán)境因子。”儲(chǔ)成才介紹，溫暖環(huán)境通常能解除種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)，而低溫則使種子維持休眠狀態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，SD6/ICE2分子模塊正是感知周邊環(huán)境溫度的種子休眠調(diào)控因子：在常溫條件下，SD6基因表達(dá)維持高水平，發(fā)揮其抑制種子休眠的功能，而ICE2基因幫助種子休眠的功能則受到明顯抑制，從而促進(jìn)種子萌發(fā);在低溫條件下，SD6基因抑制種子休眠的功能則明顯減弱，ICE2基因表達(dá)量上調(diào)，進(jìn)而發(fā)揮其幫助種子休眠功能，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。

“也就是說(shuō)，通過(guò)感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2基因通過(guò)表達(dá)的消長(zhǎng)來(lái)調(diào)控種子休眠強(qiáng)度，確保其適應(yīng)自然季節(jié)更替，繁衍成功。”儲(chǔ)成才解釋道。

研究人員通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì)3個(gè)水稻易穗發(fā)芽品種的SD6基因進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)改良的水稻在收獲期遭遇連綿陰雨天氣條件下，其穗發(fā)芽情況顯著改善。

有意思的是，高彩霞團(tuán)隊(duì)對(duì)小麥品種科農(nóng)199的TaSD6基因進(jìn)行改良，也可以大大提高小麥抗穗發(fā)芽的能力。

“這些研究成果都表明，SD6基因在水稻、小麥穗發(fā)芽抗性育種中具有重要應(yīng)用價(jià)值。”儲(chǔ)成才表示，這項(xiàng)研究成果有望為因種子穗發(fā)芽導(dǎo)致的大規(guī)模農(nóng)業(yè)損失提供解決方案。

(圖片由中科院遺傳發(fā)育所提供)

關(guān)鍵詞： 種子休眠 研究成果 關(guān)鍵基因 種子成熟 種子萌發(fā)