IT之家 12 月 6 日消息，據(jù)央視新聞報(bào)道，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)和高彩霞團(tuán)隊(duì)日前找到了調(diào)控水稻、小麥穗發(fā)芽問題的兩個(gè)“開關(guān)”，包括負(fù)調(diào)控種子休眠的關(guān)鍵基因 SD6 和正調(diào)控種子休眠的基因 ICE2。研究者認(rèn)為兩個(gè)基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發(fā)芽導(dǎo)致的大規(guī)模農(nóng)業(yè)損失提供解決方法。該成果 12 月 6 日在線發(fā)表于《自然 — 遺傳學(xué)》雜志。
據(jù)中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所網(wǎng)站，種子休眠性是指種子在適合它生長(zhǎng)的條件（溫度、水分和氧氣等）下仍不能萌發(fā)的現(xiàn)象，是多數(shù)高等植物所共有的適應(yīng)性性狀。作物馴化過程中由于更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲及耐受逆境性狀，同時(shí)保證在生產(chǎn)中種子具有一致的萌發(fā)特性，常常忽視了對(duì)種子適度休眠的保留，從而導(dǎo)致很多作物如水稻、小麥在生產(chǎn)上大面積遭遇嚴(yán)重的穗發(fā)芽問題，即種子成熟期遇潮濕氣候在收獲前出現(xiàn)穗上籽粒萌發(fā)的現(xiàn)象，造成了在收獲的最后時(shí)刻面臨近乎絕收的巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關(guān)鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機(jī)制，挖掘其優(yōu)良等位變異，對(duì)解決水稻等作物穗發(fā)芽災(zāi)害至關(guān)重要。
然而，種子休眠性是一個(gè)極其復(fù)雜的農(nóng)藝性狀，受到大量數(shù)量性狀位點(diǎn)的調(diào)控，并受到多種環(huán)境因素的顯著影響。導(dǎo)致種子休眠性關(guān)鍵調(diào)控基因的克隆較為困難，生產(chǎn)上缺乏實(shí)用的主要基因資源。針對(duì)這一現(xiàn)狀，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建可穩(wěn)定檢測(cè)到休眠控制位點(diǎn)區(qū)域的高密度染色體單片段代換系群體，成功從強(qiáng)休眠水稻品種 Kasalath 中克隆到一個(gè)控制水稻種子休眠的關(guān)鍵基因 SD6，并證實(shí)了 SD6 負(fù)調(diào)控水稻種子休眠性。通過篩選 SD6 互作蛋白，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉(zhuǎn)錄因子 ICE2 正調(diào)控水稻種子休眠性。
通過分子生物學(xué)、遺傳學(xué)及生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)揭示了 SD6 和 ICE2 均直接靶向脫落酸（ABA）8′-羥化酶基因 ABA8ox3 啟動(dòng)子上，兩者分別識(shí)別啟動(dòng)子上的 G-box 基序或 E-box 基序從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同一靶基因的反向調(diào)控。另一方面，SD6 和 ICE2 通過拮抗調(diào)控另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子 OsbHLH048 間接地調(diào)控了 ABA 的關(guān)鍵合成調(diào)控基因即 9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶基因 NCED2。這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個(gè)新的激素平衡調(diào)控范式，即拮抗的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)可通過直接地調(diào)控 ABA 的代謝，并間接地調(diào)控 ABA 的合成，從而實(shí)現(xiàn) ABA 含量的及時(shí)高效調(diào)控，以切換種子的休眠與萌發(fā)。
種子休眠性既受遺傳調(diào)控，也可通過種子所處環(huán)境來調(diào)節(jié)。溫度是影響種子休眠和萌發(fā)最主要的環(huán)境因子。溫暖環(huán)境通常能加速解除種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)，而低溫則使種子維持休眠狀態(tài)。通過這種感知外界環(huán)境的能力，可以讓種子度過不利環(huán)境條件，如冬季低溫等。儲(chǔ)成才研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) SD6-ICE2 分子模塊具備感知周邊環(huán)境溫度調(diào)控種子休眠性的特征：在常溫條件下， SD6 基因維持高水平表達(dá)，發(fā)揮其功能，而 ICE2 基因表達(dá)則受到明顯抑制，從而促進(jìn)種子萌發(fā)；在低溫條件下，SD6 基因表達(dá)則受到明顯抑制，ICE2 基因表達(dá)量上調(diào)，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。這一結(jié)果表明 SD6-ICE2 通過感知外界環(huán)境溫度變化此消彼長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)控制種子中的 ABA 含量，從而調(diào)控種子休眠強(qiáng)度以適應(yīng)自然氣候更替。這同樣解釋了種子休眠性是如何作為一種適應(yīng)性策略來避免不適宜的條件。
含有 SD6 強(qiáng)休眠等位的近等基因系在大田表現(xiàn)出優(yōu)異的穗發(fā)芽抗性，暗示該自然變異位點(diǎn)可用于優(yōu)質(zhì)水稻主栽品種的休眠性常規(guī)育種改良。同時(shí)，通過基因編輯技術(shù)對(duì)多個(gè)水稻易穗發(fā)芽主栽品種的 SD6 基因進(jìn)行改良，該研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)在不同水稻品種背景下改良的材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣的情況下，其穗發(fā)芽情況顯著改善。高彩霞團(tuán)隊(duì)對(duì)小麥品種科農(nóng) 199 的 TaSD6 基因進(jìn)行改良，也可以大幅提高小麥穗發(fā)芽抗性，表明 SD6 基因在水稻和小麥中控制種子休眠性的功能是保守的，即 SD6 在水稻和小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中均具有重要應(yīng)用價(jià)值。
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