每經(jīng)編輯 畢陸名

據(jù)央視新聞12月6日消息，經(jīng)過研究攻關(guān)，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)日前找到了調(diào)控水稻、小麥穗發(fā)芽問題的兩個(gè)“開關(guān)”，包括負(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。研究者認(rèn)為兩個(gè)基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發(fā)芽導(dǎo)致的大規(guī)模農(nóng)業(yè)損失提供解決方法。該成果12月6日在線發(fā)表于《自然—遺傳學(xué)》雜志。

作物馴化過程中由于更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲及耐受逆境性狀，常常忽視了對(duì)種子適度休眠的保留，從而導(dǎo)致很多作物如水稻、小麥會(huì)發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象（種子收獲前成熟期如遇連陰雨不能及時(shí)收獲，常出現(xiàn)部分籽粒在穗上發(fā)芽的現(xiàn)象），嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至影響下季播種。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關(guān)鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機(jī)制，挖掘其優(yōu)良等位變異，對(duì)解決水稻等作物穗發(fā)芽災(zāi)害至關(guān)重要。

中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所科研團(tuán)隊(duì)通過利用強(qiáng)休眠的水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種日本晴構(gòu)建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。通過篩選SD6互作蛋白，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉(zhuǎn)錄因子ICE2，且ICE2正調(diào)控種子休眠。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)SD6/ICE2分子模塊是能夠感知周邊環(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)揮其功能，而ICE2基因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基因功能則受到明顯抑制，ICE2基因表達(dá)量上調(diào)，進(jìn)而發(fā)揮功能，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。即通過感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2此消彼長(zhǎng)，進(jìn)一步控制種子中植物激素脫落酸含量，從而調(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。

研究團(tuán)隊(duì)通過基因編輯技術(shù)對(duì)水稻易穗發(fā)芽品種天隆619、武運(yùn)粳27號(hào)以及淮稻5號(hào)中的SD6基因進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)改良的水稻材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣，其穗發(fā)芽情況顯著改善。研究團(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穗發(fā)芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥控制種子休眠的功能是保守的。這些研究成果都表明，SD6在水稻、小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中具有重要應(yīng)用價(jià)值。

值得關(guān)注的是，我國(guó)在國(guó)際上還首次完成水稻從種子到種子全生命周期空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。據(jù)央視新聞報(bào)道，在我國(guó)空間站生命科學(xué)項(xiàng)目中，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“微重力條件下高等植物開花調(diào)控的分子機(jī)理”，在國(guó)際上首次開展了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，開花是結(jié)種子的前提，研究團(tuán)隊(duì)利用模式植物擬南芥，也系統(tǒng)地研究了空間微重力對(duì)植物開花的影響。

從2022年7月29日注入營(yíng)養(yǎng)液?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)，至11月25日結(jié)束實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目共在軌開展實(shí)驗(yàn)120天，完成了擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、開花結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。其間航天員在軌進(jìn)行了三次樣品采集，包括9月21日孕穗期水稻樣品采集；10月12日擬南芥開花期樣品采集和11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。采集后，開花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲(chǔ)柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲(chǔ)柜。12月4日，樣品隨神舟十四號(hào)返回地面。按計(jì)劃在北京交接樣品后，轉(zhuǎn)運(yùn)至上海實(shí)驗(yàn)室中做進(jìn)一步檢測(cè)分析。

本次空間項(xiàng)目主要完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）在軌完成了水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、抽穗和結(jié)籽全生命周期的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并通過獲取圖像進(jìn)行分析；（2）完成了剪株后空間再生稻成功培育并結(jié)出了成熟的種子（二茬）。（3）在軌完成擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和不同三個(gè)生物鐘調(diào)控的開花關(guān)鍵基因?qū)臻g微重力響應(yīng)的圖像觀察分析并在軌采集了樣品。

通過對(duì)空間獲取的圖像分析，并與地面對(duì)照比較，發(fā)現(xiàn)空間微重力對(duì)水稻的多種農(nóng)藝性狀，包括株高、分蘗數(shù)、生長(zhǎng)速率、水分調(diào)控、對(duì)光反應(yīng)、開花時(shí)間、種子發(fā)育過程以及結(jié)實(shí)率等多方面的影響。實(shí)驗(yàn)初步發(fā)現(xiàn)：

（1）水稻的株型在空間變得更為松散，主要是莖葉夾角變大；矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的高度沒有受到明顯的影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長(zhǎng)螺旋上升運(yùn)動(dòng)在空間更為凸顯。

（2）水稻空間開花時(shí)間比地面略有提前，但是，灌漿時(shí)間延長(zhǎng)了10多天，大部分穎殼不能關(guān)閉。開花時(shí)間和穎殼閉合均是水稻的重要農(nóng)藝性狀，二者在保障植物充分生殖生長(zhǎng)、獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子方面都有重要作用，此過程受到基因表達(dá)的調(diào)控，后續(xù)將利用返回樣品進(jìn)一步分析。

（3）在空間進(jìn)行再生稻實(shí)驗(yàn)并獲得再生稻的種子，從剪株20天后就可以再生出2個(gè)稻穗，說明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，為空間作物的高效生產(chǎn)提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。該技術(shù)可以大大增加單位體積中的水稻產(chǎn)量，也是國(guó)際上首次在空間嘗試的再生稻技術(shù)。

（4）首次對(duì)空間生物鐘調(diào)控光周期開花的關(guān)鍵基因進(jìn)行研究。利用基因突變和轉(zhuǎn)基因的方法，構(gòu)建了三種不同開花時(shí)間的擬南芥，分別是：提前開花，延遲開花和正常開花（野生型），通過對(duì)空間擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育的圖譜觀察與分析，發(fā)現(xiàn)開花關(guān)鍵基因?qū)ξ⒅亓Φ捻憫?yīng)與地面有明顯的差異，其中在地面提早開花的擬南芥在微重力條件下開花時(shí)間也大大地延長(zhǎng)。此外，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長(zhǎng)，說明生物鐘基因表達(dá)對(duì)于維持?jǐn)M南芥在空間生長(zhǎng)的正常形態(tài)和適應(yīng)空間環(huán)境非常重要，為今后利用改造開花基因來促進(jìn)植物適應(yīng)空間微重力環(huán)境提供了新方向。后續(xù)研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步利用返回材料對(duì)擬南芥適應(yīng)空間環(huán)境的分子基礎(chǔ)進(jìn)行深入解析。

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