突破水稻產量瓶頸解除穗重、穗數此消彼長“魔咒”

在這項最新研究中，科研人員創制出大量IPA1順式調控區平鋪刪除的基因編輯材料，并從中發掘出了可以同時提高穗重和穗數的編輯材料IPA1-Pro10，該編輯材料還同時具有株高變高、莖稈和根系粗壯的表型。

穗數、每穗粒數和粒重，是決定水稻產量的三個核心要素。如果這三大要素能夠“齊心協力”，水稻增產便不是問題。然而，它們之間的關系有點像“魚和熊掌”，不可兼得。

“一株水稻如果穗數長的特別多，穗子就會變小，粒重也會變輕；穗子大了，穗數就會變少。它們之間往往存在一種此消彼長的負相關關系，把一個增大，另外一個就變小了。”中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員余泓解釋說。

近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊揭示了水稻產量核心要素穗重和穗數之間相互制約的分子機制，為打破這種制約關系提供了一種可行方法，為突破水稻產量瓶頸提供了新的遺傳資源與研究思路。相關研究成果發表在國際學術期刊《自然·生物技術》上。

“不同農藝性狀之間存在的這種此消彼長現象，被生物學家稱為權衡效應，這一效應使得一些優異性狀往往不能兼得。這種權衡效應可能由連鎖累贅或基因多效性引起。”余泓說。

他進一步解釋道，所謂連鎖累贅，是指傳統育種中，在有利基因的導入時帶入了與之連鎖的不良基因，造成育種后代表型與預期結果不一致；而基因多效性則是一個基因控制著多種表型。

“目前，連鎖累贅可以通過基因的精細定位和交換重組來解決，然而基因多效性引起的權衡效應仍然沒有有效方法進行解除。”余泓說，如何解決基因多效性造成的表型間的權衡效應，對于突破現有育種瓶頸有重要科學意義。

此前李家洋團隊鑒定到的一個水稻株型調控的主效基因IPA1，可用于調控水稻多方面生長發育過程，對抗病性和環境適應性也有重要調控作用，已廣泛應用于優良水稻品種的培育。但IPA1是一個典型的多效性基因，在增大穗部的同時會使分蘗數降低，限制了其增加水稻產量的潛力。

在這項最新研究中，科研人員創制出大量IPA1順式調控區平鋪刪除的基因編輯材料，并從中發掘出了可以同時提高穗重和穗數的編輯材料IPA1-Pro10，該編輯材料還同時具有株高變高、莖稈和根系粗壯的表型。經田間小區測產鑒定，IPA1-Pro10與對照品種中花11號相比能夠增產15.9%，大大提高了水稻產量。該研究還進一步闡明了IPA1順式調控區調控穗部表型的分子機制。

余泓表示，這項研究通過平鋪刪除策略，通過編輯篩選水稻關鍵基因的順式調控區成功實現了水稻產量關鍵要素間負相關性的解除，打破了魚和熊掌不可兼得的魔咒，為通過創制全新遺傳資源打破水稻產量瓶頸提供了有效策略。

“未來對作物核心基因順式調控區的系統功能挖掘，有望為突破現有作物育種瓶頸提供新的分子機制與遺傳資源。”余泓強調。