近日，中國科學院遺傳(chuan) 與(yu) 發育生物學研究所李家洋院士團隊揭示了水稻產(chan) 量核心要素穗重和穗數之間相互製約的分子機製，為(wei) 突破這一育種瓶頸提供了新的遺傳(chuan) 資源與(yu) 研究思路。相關(guan) 成果4月21日發表於(yu) 《自然—生物技術》。

　　“魚與(yu) 熊掌”之困

　　水稻是最重要的主糧作物之一，養(yang) 活了世界一半以上的人口。水稻產(chan) 量主要由三個(ge) 核心要素決(jue) 定：穗數、每穗粒數、粒重。

　　然而，這三個(ge) 性狀在水稻中通常呈負相關(guan) 。比如穗子增大時，穗數減少。

　　“這種的性狀間此消彼長的現象稱為(wei) 權衡效應（trade-off effect）。”論文第一作者、中科院遺傳(chuan) 發育所副研究員宋曉光向《中國科學報》解釋，它是植物在長期的選擇進化過程中獲得的，由於(yu) 植物在自然環境中生長時可供其使用的資源是有限的，在增強某方麵性狀的同時，就不得不削弱其他方麵性狀。

　　科學家已經發現，這些不同農(nong) 藝性狀之間此消彼長的權衡效應可能與(yu) 兩(liang) 個(ge) 因素有關(guan) ——連鎖累贅或基因多效性。

　　據介紹，連鎖累贅是傳(chuan) 統回交育種中，在有利基因的導入中帶入了與(yu) 之連鎖的不良基因，造成育種後代表型與(yu) 預期結果不一致。目前，這一問題可通過基因的精細定位和交換重組來解決(jue) 。

　　然而，基因多效性引起的權衡效應仍未有有效方法進行解除。目前的基因功能研究主要關(guan) 注一個(ge) 基因產(chan) 生的優(you) 異表型，而往往忽略了其同時帶來的負效應，使得育種實踐中這種負效應難以破除，隻有少量基因能夠得到很好利用。

　　是否能夠解決(jue) 基因多效性造成表型間的權衡效應呢？為(wei) 了回答這一問題，研究團隊利用基因編輯技術，對水稻理想株型主效調控基因IPA1進行了編輯，實現了穗重和穗數優(you) 異表型“魚和熊掌”的兼得，突破了現有育種瓶頸。

　　“剪掉”性狀連鎖

　　IPA1是李家洋團隊之前鑒定出來的一個(ge) 典型的多效性基因。它可以調控水稻多方麵生長發育過程，對抗病性和環境適應性也有重要調控作用。

　　“增加IPA1在水稻中的表達量可增加水稻每穗粒數，使水稻的穗子變大，但是同時會(hui) 使每棵水稻長出穗子的數量（分蘖數）降低，影響了其增產(chan) 潛力。”宋曉光說，“如果能隻提高IPA1在穗部的表達水平，使其隻增大穗部，而不影響穗數，甚至增加穗數，就能進一步提高水稻的產(chan) 量。”

　　為(wei) 突破基因多效性造成的穗部和分蘖的製約關(guan) 係，研究團隊提出了通過改造IPA1的表達調控區，分別調控其在幼穗、莖基部等各組織中的表達水平，實現不同表型的特異性調控，從(cong) 而打破產(chan) 量因素之間負效應的策略。

　　宋曉光介紹，一個(ge) 基因可分為(wei) 編碼區和表達調控區（順式調控區），其中編碼區決(jue) 定了基因編碼產(chan) 物的功能，而表達調控區決(jue) 定了這個(ge) 基因在何種組織和器官表達及表達的時間和多少。

　　“編碼區和表達調控區的變異都在作物的馴化和改良中發揮了關(guan) 鍵的作用。但是由於(yu) 技術方法的製約，之前的研究大部分集中於(yu) 編碼區，對表達調控區的研究十分匱乏。”他說。

　　利用“基因剪刀”CRISPR/Cas9技術，研究團隊對IPA1基因的表達調控區進行了係統性的序列刪除，來研究其功能。

　　“基因編輯工具很強大，可以對一個(ge) 基因的任何區段進行編輯操作，但要對哪裏進行編輯才能打破負效應，我們(men) 需要確定這些區段。”論文通訊作者、遺傳(chuan) 發育所研究員餘(yu) 泓說，為(wei) 此，他們(men) 把IPA1基因的表達調控區像“瓦片”一樣，分成很多段，對其分別進行刪除，以此推斷“哪個(ge) 瓦片”中含有重要的啟動子調控元件。

　　通過這種方法，他們(men) 從(cong) 表達調控區刪除的水稻株係中發掘出一個(ge) 可同時提高穗數和穗大小的材料IPA1-Pro10，其在IPA1表達調控區有54個(ge) 堿基的片段刪除，具有穗重和穗數同時增加、株高變高、莖稈和根係粗壯的表型。

　　新材料會(hui) 讓產(chan) 量提高多少呢？對此，研究團隊進行了三個(ge) 田間小區測產(chan) 鑒定，結果表明新材料IPA1-Pro10與(yu) 對照品種中花11相比能夠增產(chan) 15.9%，大大提高了水稻產(chan) 量。

　　“這是率先在植物中成功使用‘啟動子敲擊’策略的研究之一，是促進水稻產(chan) 量提升的重要突破性進展。”一位審稿人評價(jia) 。

　　為(wei) 了解其背後機製，該團隊進一步研究表明，馴化關(guan) 鍵轉錄因子An-1能通過結合54bp關(guan) 鍵順式作用元件中的一個(ge) GCGCGTGT基序特異調控IPA1在幼穗的表達水平，進而特異調控穗部表型。

　　引領育種新趨勢

　　談到這項研究的最大亮點，餘(yu) 泓表示，傳(chuan) 統育種都是利用自然界中存在的資源，把優(you) 異基因聚合在一起，來創製新種質。其前提是某個(ge) 品種中存在我們(men) 想要的優(you) 異基因。而要打破通常存在的諸如穗數和穗重等優(you) 異性狀之間的“相生相克”，就要通過創製新資源的方式來實現。

　　新研究通過“瓦片”平鋪刪除策略，通過編輯篩選水稻關(guan) 鍵基因的表達調控區成功實現了水稻產(chan) 量關(guan) 鍵要素間負相關(guan) 性的解除，為(wei) 通過創製全新遺傳(chuan) 資源，打破水稻產(chan) 量瓶頸提供了有效策略。

　　“這是一個(ge) 值得關(guan) 注的研究趨勢，也是了解多個(ge) 數量性狀基因之間相互作用分子機製的重要進展。”一位審稿人如是表示。（馮(feng) 麗(li) 妃）