让种子在收获前「静止」，中科院团队发现水稻小麦「穗发芽」开关

（图片来源：摄图网）

作者|芗灵 来源|生辉Agri Tech(ID：SciPhi_AgriTech)

种子休眠是植物的一种自我保护策略，可在不适宜的环境中使种子保持“静止”，直到环境条件变得有利于发芽。

为了加速繁殖，同时保证种子在生产中具有一致的萌发特性、播后更高和更均匀的出苗率，在以往的育种过程中，具有休眠性的种质材料被慢慢淘汰。然而，这导致了更频繁的“穗发芽”现象。

穗发芽，即收获前发芽（Preharvest sprouting，PHS），指弱种子休眠所导致的母株上新鲜成熟的种子不必要的早期发芽。长期以来，包括大米和小麦在内的重要谷物，其 PHS 已成为世界范围内的严重问题，导致谷物质量和产量的下降。并且，随着近年来全球气候变暖，该现象越发严重，威胁着全球作物生产。全世界每年小麦穗发芽所造成的经济损失高达 10 亿美元。

以中国为例，83% 的小麦种植地区受到不同程度穗发芽的影响。这些地区在小麦收获季节雨水较多，空气潮湿，主要集中在西南冬麦区、长江流域冬麦区、东北春麦区和黄淮冬麦区等地。而在南方水稻栽培区，受收获季节梅雨影响，穗发芽会造成常规稻 6% 栽培面积的损失，杂交稻由于在制种过程中喷施赤霉素，使 PHS 现象更加严重，损失则高达栽培面积的 20%。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员储成才与遗传发育所高彩霞团队合作，找到了调控水稻、小麦穗发芽的基因，有望为 PHS 提供解决方法。该研究成果发表在 Nature Genetics，题为“Antagonistic control of seed dormancy in rice by two bHLH transcription factors”。

早在上世纪 50 年代，育种学家就开始就考虑从野生稻、杂草稻和古老地方种中开展强休眠种质资源筛选，但由于种子休眠与萌发是一种复杂的数量性状，受到大量位点的调控，基因克隆面临诸多瓶颈，导致用于改良穗发芽的关键基因资源至今依然十分稀缺。

对于这项研究成果，中国科学院院士、中国农科院作物研究所所长钱前评价说：“相关研究成果是近年来国内外利用种质资源挖掘有利基因并快速应用到育种创新的典范性工作，为有效利用古老地方种质资源提供了借鉴。”

在该研究中，为了鉴定水稻种子休眠自然变异的基因，研究人员将弱休眠品种 Nipponbare 和强休眠品种 Kasalath 杂交，从中筛选了几种染色体单片段代换系（CSSSL）。种子萌发实验表明，5 种 CSSSL 的种子休眠性强于 Nipponbare。

选择 CSSSL 其中的一个品系 Q27 进行进一步分析，发现其中 Kasalath 的 6 号染色体上的一段已知的种子休眠 QTL 已经渗入了 Nipponbare 的遗传背景。新鲜收获的 Q27 种子表现出接近 Kasalath 的休眠状态，表明取代片段含有具有较大影响作用的种子休眠位点，因此被称为 SD6。

进一步的分析表明，LOC_Os06g06900 是 SD6 位点的功能基因，是种子休眠的负调节因子，而不是成熟后种子萌发的负调节因子。sd6 突变体的每穗粒数也显著增加，这使得 SD6 成为育种 PHS 抗性和增产品种的良好候选者。

随后，以 SD6 为“诱饵”，研究人员通过酵母双杂交（Y2H）筛选 SD6 相互作用蛋白，发现了与 SD6 相互作用的转录因子ICE2。有趣的是，虽然 SD6 和 ICE2 都在种子中表达，但 SD6 转录本的水平随着种子发育而降低，而 ICE2 转录本的水平以更高的数量级增加，这意味着 SD6 和 ICE2 在调节种子休眠中的作用不同。

与野生型相比，ICE2 敲除导致对 PHS 的敏感性显著增强，而 ICE2 过表达系的种子具有强休眠表型。这些结果表明，ICE2 在种子休眠中的作用与 SD6 相反。此外，与 sd6 突变体不同，ice2 突变体每个穗的粒数减少。

“简单来说，它们就像两个相互制衡的伙伴，SD6 像‘油门’，能够促进种子萌发；而 ICE2 就像‘刹车’，可以促进休眠。”储成才在接受《科学网》的采访时说。

脱落酸（ABA）在种子休眠中的作用已被许多遗传和生理学研究充分证明。因此，研究人员在授粉后 21-25 天（水稻种子通常在此时段进入休眠阶段）检测了 sd6 和 ice2 突变体种子中的 ABA 含量。实验结果表明，SD6 和 ICE2 通过调节 ABA 代谢基因的表达来控制种子中的 ABA 含量，且 SD6 和 ICE2 对 ABA 代谢基因的调节具有拮抗作用。

研究还发现，SD6 和 ICE2 可以相应温度信号：当种子处于室温时，SD6 上调，触发种子萌发；而 ICE2 在低温下表达增加，维持种子休眠。这有利于种子在较高温度下破除休眠进行萌发；低温时维持休眠以顺利越冬。

值得注意的是，通过基因组编辑 SD6 及其小麦同系物，证明了 SD6 是田间条件下缓解谷物 PHS 的有用育种靶点。

通过 CRISPR-Cas9 编辑天隆 619、武运粳 27 号以及淮稻 5 号三个经常患有严重 PHS 的优质水稻品种，结果表明，三个品种的遗传背景中的 SD6 敲除都有效阻止了 PHS 的发生。且不会对其他农艺性状产生副作用，表明 SD6 的应用是预防水稻 PHS 的潜在策略。

在小麦中，TraesCS7A02G126900（TaSD6-A1），TraesCS7B02G026300（TaSD6-B1）和 TraesCS7D02G124700（TaSD6-D1）与 SD6 具有最高的氨基酸序列相似性。为了确认 TaSD6 与小麦种子休眠之间的关系，研究人员利用 CRISPR-Cas9 在弱休眠小麦品种 Kenong199 中生成了 TaSD6 的三隐性双等位基因突变体（aabbdd）。

有趣的是，三隐性纯合突变体（tasd6）与水稻 sd6 突变体一样表现出强烈的种子休眠状态，进一步证实三隐性纯合突变体 TASD6 的生成是增强小麦种子休眠的快速有效的育种策略，因此证明了 SD6 的广泛应用前景。

参考资料：

1.https://doi.org/10.1038/s41588-022-01240-7

编者按：本文转载自微信公众号：生辉Agri Tech(ID：SciPhi_AgriTech)，作者：芗灵