突破水稻产量瓶颈解除穗重、穗数此消彼长“魔咒”

在这项最新研究中，科研人员创制出大量IPA1顺式调控区平铺删除的基因编辑材料，并从中发掘出了可以同时提高穗重和穗数的编辑材料IPA1-Pro10，该编辑材料还同时具有株高变高、茎秆和根系粗壮的表型。

穗数、每穗粒数和粒重，是决定水稻产量的三个核心要素。如果这三大要素能够“齐心协力”，水稻增产便不是问题。然而，它们之间的关系有点像“鱼和熊掌”，不可兼得。

“一株水稻如果穗数长的特别多，穗子就会变小，粒重也会变轻；穗子大了，穗数就会变少。它们之间往往存在一种此消彼长的负相关关系，把一个增大，另外一个就变小了。”中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员余泓解释说。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队揭示了水稻产量核心要素穗重和穗数之间相互制约的分子机制，为打破这种制约关系提供了一种可行方法，为突破水稻产量瓶颈提供了新的遗传资源与研究思路。相关研究成果发表在国际学术期刊《自然·生物技术》上。

“不同农艺性状之间存在的这种此消彼长现象，被生物学家称为权衡效应，这一效应使得一些优异性状往往不能兼得。这种权衡效应可能由连锁累赘或基因多效性引起。”余泓说。

他进一步解释道，所谓连锁累赘，是指传统育种中，在有利基因的导入时带入了与之连锁的不良基因，造成育种后代表型与预期结果不一致；而基因多效性则是一个基因控制着多种表型。

“目前，连锁累赘可以通过基因的精细定位和交换重组来解决，然而基因多效性引起的权衡效应仍然没有有效方法进行解除。”余泓说，如何解决基因多效性造成的表型间的权衡效应，对于突破现有育种瓶颈有重要科学意义。

此前李家洋团队鉴定到的一个水稻株型调控的主效基因IPA1，可用于调控水稻多方面生长发育过程，对抗病性和环境适应性也有重要调控作用，已广泛应用于优良水稻品种的培育。但IPA1是一个典型的多效性基因，在增大穗部的同时会使分蘖数降低，限制了其增加水稻产量的潜力。

在这项最新研究中，科研人员创制出大量IPA1顺式调控区平铺删除的基因编辑材料，并从中发掘出了可以同时提高穗重和穗数的编辑材料IPA1-Pro10，该编辑材料还同时具有株高变高、茎秆和根系粗壮的表型。经田间小区测产鉴定，IPA1-Pro10与对照品种中花11号相比能够增产15.9%，大大提高了水稻产量。该研究还进一步阐明了IPA1顺式调控区调控穗部表型的分子机制。

余泓表示，这项研究通过平铺删除策略，通过编辑筛选水稻关键基因的顺式调控区成功实现了水稻产量关键要素间负相关性的解除，打破了鱼和熊掌不可兼得的魔咒，为通过创制全新遗传资源打破水稻产量瓶颈提供了有效策略。

“未来对作物核心基因顺式调控区的系统功能挖掘，有望为突破现有作物育种瓶颈提供新的分子机制与遗传资源。”余泓强调。