2020年中國四地水稻穗發芽情況。中科院遺傳發育所 供圖

中新網北京12月6日電 （記者 孫自法）作為中國兩大主糧，水稻、小麥相關育種研究工作長期以來一直備受關注。

來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所（中科院遺傳發育所）的最新訊息說，該所儲成才團隊和高彩霞團隊透過合作研究，最新找到調控水稻、小麥穗發芽問題的一對基因“開關”，包括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。

研究團隊認為，這一對基因“雙劍合璧”，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。此項糧食作物領域的重要研究成果論文，北京時間12月6日凌晨在國際專業學術期刊《自然-遺傳學》上線發表。

水稻小麥穗發芽的危害性有多大？

中科院遺傳發育所研究團隊介紹說，種子休眠是指種子在適合它生長的條件（溫度、水分和氧氣等）下仍不能發芽的現象，是多數高等植物共有的特點。作物馴化過程中由於更多考慮高產、優質、抗病蟲及耐受逆境性狀，同時保證在生產中種子具有一致的萌發特性，常常忽視了對種子適度休眠的保留，從而導致很多作物如水稻、小麥會發生穗發芽現象（種子收穫前成熟期如遇連陰雨不能及時收穫，常出現部分籽粒在穗上發芽的現象），嚴重影響作物的產量和品質，造成巨大的經濟損失。僅在麵包小麥中，全球每年由於穗發芽造成的損失就高達10億美元。

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%。近年來，隨著全球氣候變暖，農業生產上水稻小麥等在後期成熟期常常遭遇連陰天氣，使得穗發芽災害頻繁發生。如中國長江中下游以及黃淮地區等冬小麥主產區在2013、2015及2016年均遭受嚴重的穗發芽災害。在2016和2020年，受颱風影響，江浙地區水稻、玉米等也爆發大面積穗發芽，造成嚴重減產。

更為嚴重的是，在作物制種後期如發生連綿陰雨天氣，引起穗發芽將對制種產業造成難以估量的損失，甚至影響下季播種。因此，找到水稻、小麥等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，挖掘其優良等位變異，對解決水稻等作物穗發芽災害至關重要。

SD6/ICE2分子模組作用模型及應用例項。中科院遺傳發育所 供圖

一對調控基因“開關”怎樣被找到？

雖然破解水稻小麥穗發芽問題迫在眉睫，但種子休眠是一個極其複雜的農藝性狀，受到大量數量性狀位點的調控，因此，克隆調控種子休眠基因一直面臨諸多瓶頸。

在本項研究中，儲成才團隊透過利用強休眠的水稻品種“卡薩拉斯”和弱休眠水稻品種“日本晴”構建染色體單片段代換系，成功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SD6負調控水稻種子休眠。在此基礎上，研究團隊進一步透過篩選SD6互作蛋白髮現另一水稻轉錄因子ICE2，而且ICE2正調控種子休眠。

針對植物激素脫落酸（ABA）是調控植物休眠萌發的主要內因，研究團隊透過分子生物學、遺傳及生化等技術，揭示出SD6/ICE2分子模組透過直接或間接調控ABA的合成或代謝基因，進而調控水稻種子ABA含量以及種子休眠。

種子休眠既受遺傳調控，也可透過種子所處環境來調節。儲成才團隊研究發現，SD6/ICE2分子模組能夠感知周邊環境溫度的種子休眠調控因子：常溫條件下，SD6基因表達維持高水平，發揮其功能，而ICE2基因功能則受到明顯抑制，從而促進種子萌發；低溫條件下，SD6基因功能則受到明顯抑制，ICE2基因表達量上調，進而發揮功能，從而使種子維持在休眠狀態。

研究成果實踐應用效果如何？

研究團隊認為，透過感知外界環境溫度變化，SD6/ICE2此消彼長，進一步控制種子中ABA含量，從而調控種子休眠強度，確保其適應自然季節更替，繁衍成功。

基於調控水稻、小麥穗發芽問題的這對基因“開關”，在農作物育種的實際應用效果如何？

儲成才團隊透過基因編輯技術，對水稻易穗發芽品種“天隆619”“武運粳27號”及“淮稻5號”中的SD6基因進行改良，結果顯示，改良的水稻材料在收穫期遭遇連綿陰雨天氣，其穗發芽情況顯著改善。

與此同時，高彩霞團隊對小麥品種“科農199”的TaSD6基因進行改良，結果也可以大大提高小麥穗發芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥控制種子休眠的功能是一樣的。

中科院遺傳發育所表示，這些最新研究成果都表明，SD6/ICE2在水稻、小麥穗發芽抗性育種改良中具有重要應用價值。（完）