休眠“開關”找到 有望防止種子穗發芽

水稻、小麥在成熟期，如果遇到連綿陰雨天，不能及時收穫，籽粒就可能在穗上提前發芽。這種不按套路出牌的現象，是一種世界性的自然災害。

12月6日，《自然·遺傳學》線上發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所儲成才團隊和高彩霞團隊關於穗發芽的重要研究成果。他們找到了調控水稻、小麥穗發芽的“開關”——負調控種子休眠的關鍵基因SD6和正調控種子休眠的基因ICE2。該成果為解決水稻、小麥等作物穗發芽災害提供了重要基礎。

種子成熟後要保持適度的休眠

穗發芽是農作物種子在收穫前由於潮濕天氣誘發的在母體植株上發芽的現象，嚴重影響農作物的産量和品質，從而造成巨大的經濟損失。

“在中國南方水稻栽培區，受收穫季節梅雨的影響，穗發芽會造成常規稻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，水稻、小麥等在後期成熟期常常遭遇連綿陰雨天氣，使得穗發芽災害頻繁發生。如我國長江中下游以及黃淮地區等冬小麥主産區在2013年、2015年及2016年均遭受嚴重的穗發芽災害；在2016年和2020年，受颱風影響，江浙地區水稻、玉米等也出現大面積穗發芽，造成嚴重減産。

更為嚴重的是，在作物制種後期，如果發生連綿陰雨天氣引起穗發芽，將對制種産業造成難以估量的損失，甚至影響下季播種。

“防止穗發芽發生的有效途徑是讓種子成熟後保持適度的休眠，使其既不會發生穗發芽現象，又不至於因休眠過深影響田間出芽率。”儲成才説，“因此找到水稻、小麥等作物中控制種子休眠的關鍵基因，闡明種子休眠調控的分子生理機制，對解決水稻、小麥等作物穗發芽災害至關重要。”

“然而，種子休眠是一個極其複雜的農藝性狀，受到大量數量性狀基因位點的調控。因此，克隆調控種子休眠基因一直面臨很多難題。”儲成才直言。

SD6/ICE2基因能調控種子休眠強度

利用強休眠水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種“日本晴”，儲成才團隊構建出一套染色體單片段代換係，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，並證實了SD6負調控水稻種子休眠。

與此同時，通過篩選SD6互作蛋白，研究團隊發現了另一個水稻轉錄因子ICE2，並證實了ICE2正調控種子休眠。

“種子休眠既受遺傳調控，也可通過種子所處環境來調節。溫度是影響種子休眠和萌發最主要的環境因子。”儲成才介紹，溫暖環境通常能解除種子休眠，促進種子萌發，而低溫則使種子維持休眠狀態。

研究發現，SD6/ICE2分子模組正是感知周邊環境溫度的種子休眠調控因子：在常溫條件下，SD6基因表達維持高水準，發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；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，進而發揮其幫助種子休眠功能，使種子維持在休眠狀態。

“也就是説，通過感知外界環境溫度變化，SD6/ICE2基因通過表達的消長來調控種子休眠強度，確保其適應自然季節更替，繁衍成功。”儲成才解釋道。

研究人員通過基因編輯技術對3個水稻易穗發芽品種的SD6基因進行改良，發現改良的水稻在收穫期遭遇連綿陰雨天氣條件下，其穗發芽情況顯著改善。

有意思的是，高彩霞團隊對小麥品種“科農199”的TaSD6基因進行改良，也可以大大提高小麥抗穗發芽的能力。

“這些研究成果都表明，SD6基因在水稻、小麥穗發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芽導致的大規模農業損失提供解決方案。