據(jù)央視新聞12月6日消息，經過研究攻關，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所儲成才團隊和高彩霞團隊日前找到了調控水稻、小麥穗發(fā)芽問題的兩個“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。研究者認為兩個基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發(fā)芽導致的大規(guī)模農業(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》雜志。
作物馴化過程中由于更多考慮高產、優(yōu)質、抗病蟲及耐受逆境性狀，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(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象（種子收獲前成熟期如遇連陰雨不能及時收獲，常出現(xiàn)部分籽粒在穗上發(fā)芽的現(xiàn)象），嚴重影響了作物的產量和品質，造成巨大的經濟損失，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(yōu)良等位變異，對解決水稻等作物穗發(fā)芽災害至關重要。
中國科學院遺傳發(fā)育所科研團隊通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，成功地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，并證實了SD6負調控水稻種子休眠。通過篩選SD6互作蛋白，研究團隊發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉錄因子ICE2，且ICE2正調控種子休眠。
研究團隊發(fā)現(xiàn)SD6/ICE2分子模塊是能夠感知周邊環(huán)境溫度的種子休眠調控因子：在常溫條件下，SD6基因表達維持高水平，發(fā)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(fā)；在低溫條件下，SD6基因功能則受到明顯抑制，ICE2基因表達量上調，進而發(fā)揮功能，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。即通過感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2此消彼長，進一步控制種子中植物激素脫落酸含量，從而調控種子休眠強度，確保其適應自然季節(jié)更替，繁衍成功。
研究團隊通過基因編輯技術對水稻易穗發(fā)芽品種天隆619、武運粳27號以及淮稻5號中的SD6基因進行改良，發(fā)現(xiàn)改良的水稻材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣，其穗發(fā)芽情況顯著改善。研究團隊對小麥品種科農199的TaSD6基因進行改良，也可以大大提高小麥穗發(fā)芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥控制種子休眠的功能是保守的。這些研究成果都表明，SD6在水稻、小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中具有重要應用價值。
值得關注的是，我國在國際上還首次完成水稻從種子到種子全生命周期空間培養(yǎng)實驗。據(jù)央視新聞報道，在我國空間站生命科學項目中，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心鄭慧瓊研究團隊承擔了“微重力條件下高等植物開花調控的分子機理”，在國際上首次開展了水稻從種子到種子全生命周期培養(yǎng)實驗。同時，開花是結種子的前提，研究團隊利用模式植物擬南芥，也系統(tǒng)地研究了空間微重力對植物開花的影響。
從2022年7月29日注入營養(yǎng)液啟動實驗，至11月25日結束實驗，本項目共在軌開展實驗120天，完成了擬南芥和水稻種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結籽全生命周期的培養(yǎng)實驗。其間航天員在軌進行了三次樣品采集，包括9月21日孕穗期水稻樣品采集；10月12日擬南芥開花期樣品采集和11月25日水稻和擬南芥種子成熟期樣品采集。采集后，開花或孕穗期樣品保存于-80℃低溫存儲柜中，種子成熟期樣品保存于4℃低溫存儲柜。12月4日，樣品隨神舟十四號返回地面。按計劃在北京交接樣品后，轉運至上海實驗室中做進一步檢測分析。
本次空間項目主要完成的實驗內容包括：（1）在軌完成了水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長、抽穗和結籽全生命周期的培養(yǎng)實驗并通過獲取圖像進行分析；（2）完成了剪株后空間再生稻成功培育并結出了成熟的種子（二茬）。（3）在軌完成擬南芥種子萌發(fā)、幼苗生長和不同三個生物鐘調控的開花關鍵基因對空間微重力響應的圖像觀察分析并在軌采集了樣品。
通過對空間獲取的圖像分析，并與地面對照比較，發(fā)現(xiàn)空間微重力對水稻的多種農藝性狀，包括株高、分蘗數(shù)、生長速率、水分調控、對光反應、開花時間、種子發(fā)育過程以及結實率等多方面的影響。實驗初步發(fā)現(xiàn)：
（1）水稻的株型在空間變得更為松散，主要是莖葉夾角變大；矮稈水稻變得更矮，高稈水稻的高度沒有受到明顯的影響。此外，生物鐘控制的水稻葉片生長螺旋上升運動在空間更為凸顯。
（2）水稻空間開花時間比地面略有提前，但是，灌漿時間延長了10多天，大部分穎殼不能關閉。開花時間和穎殼閉合均是水稻的重要農藝性狀，二者在保障植物充分生殖生長、獲得高產優(yōu)質種子方面都有重要作用，此過程受到基因表達的調控，后續(xù)將利用返回樣品進一步分析。
（3）在空間進行再生稻實驗并獲得再生稻的種子，從剪株20天后就可以再生出2個稻穗，說明空間狹小的封閉環(huán)境中再生稻是可行的，為空間作物的高效生產提供了新的思路和實驗證據(jù)。該技術可以大大增加單位體積中的水稻產量，也是國際上首次在空間嘗試的再生稻技術。
（4）首次對空間生物鐘調控光周期開花的關鍵基因進行研究。利用基因突變和轉基因的方法，構建了三種不同開花時間的擬南芥，分別是：提前開花，延遲開花和正常開花（野生型），通過對空間擬南芥生長發(fā)育的圖譜觀察與分析，發(fā)現(xiàn)開花關鍵基因對微重力的響應與地面有明顯的差異，其中在地面提早開花的擬南芥在微重力條件下開花時間也大大地延長。此外，生物鐘基因突變后，空間擬南芥的下胚軸過度伸長，說明生物鐘基因表達對于維持擬南芥在空間生長的正常形態(tài)和適應空間環(huán)境非常重要，為今后利用改造開花基因來促進植物適應空間微重力環(huán)境提供了新方向。后續(xù)研究團隊將進一步利用返回材料對擬南芥適應空間環(huán)境的分子基礎進行深入解析。