培育最理想的水稻

张杨

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,是世界一半人口的主粮。什么样的水稻是完美的水稻?科学家们发现,在水稻等禾谷类作物中,株型是决定产量的核心因素之一。

水稻株型的构成元素主要包括株高、分蘖(即分枝)数目、分蘖角度和穗型等。水稻株型的形成既受到遗传因素(基因)的严格控制,同时也受到植物激素等内部生理因素和生长环境因素的调控。在始于20世纪60年代广为人知的“绿色革命”中,科学家们利用一个半矮秆基因sd1调控了水稻中植物激素赤霉素的含量,从而适当降低了株高,克服了水稻株高过高易倒伏的问题,对东南亚和我国沿海等台风易发地区的水稻高产、稳产起到了巨大的推动作用。

今天,育种学家在长期水稻育种实践中,总结出理想株型的模式:根系发达、茎秆强壮、分蘖数适中、无效分蘖(即不产生谷穗的分蘖)少、穗粒数多等。

因此,株型的改良是品种选育的一个核心指标,同时也是生物学中的一个重要科学问题和难题。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队及其合作者对水稻株型进行了二十余年的研究,发现了水稻株型形成的基本原理并探索了在育种实践中的应用。其中最突出的贡献是与中国水稻研究所钱前研究员团队、中国科学院上海植物生理与生态研究所何祖华研究员团队等合作发现了水稻理想株型形成的奥秘,并直接用于水稻分子育种。

李家洋等发现“理想株型”(IPA1)基因是一个复杂网络的核心组分,直接调控水稻理想株型的形成。在此基础上,李家洋等将IPA1的不同遗传变异形式直接用于分子育种,获得了茎秆粗壮抗倒伏、无效分蘖减少、穗子增大等具有理想特征的新材料和新品种,从而在理论和应用两方面建立了水稻“理想株型”调控模型,并为其他禾谷类作物育种提供了理论模式。

独脚金内酯是一种近年来新发现的植物激素,在植物株型建成特别是植物分枝发育中发挥重要作用。李家洋团队发现水稻D53蛋白是独脚金内酯信号转导的负调控元件,而独脚金内酯本身促进D53蛋白降解,以此解除对独脚金内酯信号途径的抑制。通过这种精巧的反馈模式,精确地调控水稻的分蘖数目。该项发现是独脚金内酯信号通路及其调控水稻株型发育研究领域的重大突破。

D53基因主要调控水稻的分蘖数目,而IPA1控制的理想株型的主要特征包括分蘖适中和无效分蘖数目少等特征。作为株型控制的2个核心组分,D53和IPA1之间是否存在关联?

在意识到这个重要科学问题后,李家洋团队经过艰苦的努力,发现D53和IPA1位于同一个调控网络中,且D53蛋白直接调控IPA1蛋白的生物学活性,进而调控该复杂网络中的其他基因并控制水稻分蘖。该研究为水稻株型形成复杂调控网络中的2个核心组分画上了一条靓丽的连接线,是该领域的另一项重大科学突破。相关研究成果于近日在《细胞研究》杂志在线发表。

责任朱瑞