水稻作為全世界最重要的糧食作物之一，養育著全球半數以上的人口。水稻的高產穩產直接關乎我國糧食安全和農業可持續發展。目前，我國作物遺傳育種技術處于表型選擇到分子育種的過渡階段，突破作物傳統遺傳育種的瓶頸，發展精準高效的分子設計育種，培育高產優質抗逆的作物優良品種已成為農業發展的重大戰略需求。水稻產量性狀主要由分蘗數、每穗粒數和粒重三個要素構成。它們之間相輔相成。當前，由于作物復雜性狀之間的偶聯性和權衡效應，導致克隆的一些重要基因未在育種實踐中廣泛應用，或者只有少數馴化選擇相關基因以及部分具有弱突變效應的等位基因被利用，使得品種間同質化嚴重、遺傳多樣性降低。因此，如何打破復雜性狀之間的偶聯性，找到性狀之間相互作用及維持平衡的關鍵節點，進而耦合優異等位變異，有效實現復雜性狀的精準改良，是分子設計育種研究亟待解決的關鍵科學問題。
為了解析作物復雜性狀偶聯的分子遺傳基礎，中國科學院院士、中科院分子植物科學卓越創新中心研究員林鴻宣研究組以水稻產量性狀關鍵構成要素每穗粒數和粒型作為切入點，在水稻中克隆了調控每穗粒數和粒型協調發育平衡的重要基因GSN1.在此基礎上提出并建立了水稻穗型發育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級聯信號通路，并證實GSN1是該信號通路的負調控因子，由此構建了產量性狀穗型與粒型協調發育平衡的分子模塊GSN1-MAPK(Guo et al. Plant Cell，2018)。研究組進一步通過鑒定水稻關鍵類受體激酶基因OsER1.建立了調控水稻穗型發育的OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6-DST-OsCKX2信號通路(Guo et al. Plant Cell，2020)。盡管該通路是目前已報道的水稻穗型發育調控較為完整的信號通路，但類受體激酶OsER1上游特異性的小肽配體分子尚不清楚。
3月24日，林鴻宣研究組和清華大學生命科學學院教授柴繼杰研究組合作，在《自然-通訊》(Nature Communications)上，發表了題為Optimization of rice panicle architecture by specifically suppressing ligand-receptor pairs的研究論文，揭示了小肽-類受體激酶信號特異性調控水稻穗型發育的分子機制，首次通過特異性抑制小肽配體-受體對打破水稻產量性狀之間的偶聯性，塑造水稻理想穗型，為作物分子設計育種提供新模塊。
2017年，研究組鑒定類受體激酶基因OsER1的功能缺失突變體oser1發現，盡管秈稻豐矮占1號(FAZ1)背景下的oser1突變體表現為粗稈大穗，且抗衰老，但因育性損失，水稻產量并沒有提高。由于缺少優良的等位變異或弱突變，復雜性狀之間的偶聯性帶來的權衡效應使得OsER1基因缺少育種價值。研究組思考，除了利用啟動子基因編輯大規模創建人工QTL篩選優良的等位變異之外，能否通過其他策略打破復雜性狀之間的偶聯性和權衡效應，從而塑造高產的水稻理想穗型?
研究組以水稻OsEPF/OsEPFLs基因家族為切入點，系統鑒定了該家族成員基因的表達模式，進一步利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，在秈稻FAZ1背景下通過敲除OsEPFL5、OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9等小肽編碼基因，獲得了一系列基因功能缺失突變體。這些單突在不同程度上影響了水稻每穗粒數、粒型大小和育性等產量性狀。研究通過考察不同突變組合的9種雙突表型發現，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9負向協同調控水稻每穗粒數，而OsEPFL5具有正向調控功能。研究考慮到OsER1基因的負向調控功能，推測OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9可能是識別OsER1類受體激酶、特異性調控水稻穗型發育的小肽配體。進一步，研究組與柴繼杰研究組合作，通過體外表達和純化類受體激酶OsER1胞外域和不同成熟肽配體，利用體外和體內生化實驗證明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9成熟肽可以識別類受體蛋白激酶OsER1.從而激活下游的MAPK級聯信號。同時，遺傳上位性分析表明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9作用于OsER1的上游發揮功能。研究發現OsEPFL8基因特異性參與水稻育性的形成，研究考察不同突變組合的5個三突和四突的產量性狀發現，雖然三突osepfl6;7;8、osepfl6;7;9、osepfl6;8;9、osepfl7;8;9和四突osepfl6;7;8;9均表現出與oser1突變體類似的表型，但四突osepfl6;7;8;9和oser1突變體的表型近乎一致。研究考察不同突變組合的產量性狀發現，由于沒有影響水稻的育性，三突osepfl6;7;9單株產量提高了約14.4%，小區測產相較于FAZ1增產約7.3%。研究證明，通過特異性抑制OsEPFL6-OsER1、OsEPFL7-OsER1和OsEPFL9-OsER1配體-受體可以打破水稻產量性狀之間的偶聯性，從而優化水稻穗型結構，塑造高產的理想穗型。綜上所述，該研究不僅揭示了小肽-類受體激酶信號調控水稻花序形態建成的分子機制，并證明了一種合理的分子設計思路即通過特異性抑制配體-受體對來克服復雜性狀之間的偶聯和權衡效應，為未來作物分子設計育種提供新的分子模塊。
研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院、嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室、中國博士后科學基金會等的支持。
2023年3月27日
來源：中國科學院
