科技日報記者 陸成寬

水稻、小麥在成熟期，如果遇到連綿陰雨天，不能及時收獲，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害。

12月6日，《自然—遺傳學》在線發(fā)表了中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所儲成才團隊和高彩霞團隊關于穗發(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 “開關”——負調(diào)控種子休眠的關鍵基因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)芽災害提供了重要基礎。

(資料圖片)

種子成熟后要保持適度的休眠

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)濟損失。

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

近年來，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)芽災害頻繁發(fā)生。如我國長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年均遭受嚴重的穗發(fā)芽災害。在2016年和2020年，受臺風影響，江浙地區(qū)水稻、玉米等也出現(xiàn)大面積穗發(fā)芽，造成嚴重減產(chǎn)。

更為嚴重的是，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，使其既不會發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象，又不至于因休眠過深影響田間出芽率。”儲成才說，“因此找到水稻、小麥等作物中控制種子休眠的關鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機制，對解決水稻、小麥等作物穗發(fā)芽災害至關重要。”

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

2020年中國各地水稻穗發(fā)芽情況

SD6/ICE2分子模塊作用模型及應用

SD6/ICE2基因表達調(diào)控種子休眠強度

利用強休眠水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種日本晴，儲成才團隊構(gòu)建出一套染色體單片段代換系，成功地從強休眠水稻品種中克隆到一個控制水稻種子休眠的關鍵基因SD6，并證實了SD6負調(diào)控水稻種子休眠。

與此同時，通過篩選SD6互作蛋白，研究團隊發(fā)現(xiàn)了另一個水稻轉(zhuǎn)錄因子ICE2，并證實了ICE2正調(diào)控種子休眠。

“種子休眠既受遺傳調(diào)控，也可通過種子所處環(huán)境來調(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。”儲成才介紹，溫暖環(huán)境通常能解除種子休眠，促進種子萌發(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基因表達量上調(diào)，進而發(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，通過感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2基因通過表達的消長來調(diào)控種子休眠強度，確保其適應自然季節(jié)更替，繁衍成功。”儲成才解釋道。

研究人員通過基因編輯技術對3個水稻易穗發(fā)芽品種的SD6基因進行改良，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，高彩霞團隊對小麥品種科農(nóng)199的TaSD6基因進行改良，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用價值。”儲成才表示，這項研究成果有望為因種子穗發(fā)芽導致的大規(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）

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