上世纪三十年代起，印度、美国、日本等世界各国的遗传学家陆续报道了一种独特的水稻，英文称之为“clustered-spikelet rice”（意为簇生小穗水稻），中文称之为“复粒稻”或“簇生稻”。与常见的水稻不同，复粒稻通常会有三粒种子簇生在一起，有学者形象地称之为“三粒奇”。在某些背景下，簇生会使得稻穗酷似麦穗，因此又有人称之为“麦颖稻”。在没有基因组序列的时代，复粒稻因其表型明显而独特，被遗传学家广泛用于构建染色体连锁群，并发现控制簇生的位点CL与控制水稻糯性的位点Wx在6号染色体存在连锁。Wx于1990年被克隆成为控制水稻籽粒品质的核心基因，而CL由于其控制的簇生性状具有增产的潜力，虽然引起了众多关注，但是只能将其定位在6号染色体的一个区间内。这种一致的定位区间暗示不同来源的复粒稻应由同一个位点控制，然而关于其遗传特性的相关报道存在诸多不一致的地方。距今已经报道了将近一百年，复粒稻控制基因以及小穗簇生发生的机理始终是未解之谜。
2024年3月8日，由中国农业科学院作物科学研究所童红宁研究员领衔的研究团队报道了对复粒稻多粒簇生形成机制的全面破译，发现控制簇生形成的基因编码植物激素油菜素甾醇（BR）的代谢基因，因复粒稻中该基因前存在复杂的染色体结构变异，导致该基因特异地在水稻穗分枝发育过程中被激活，并通过由BR水平改变诱发的一系列分子事件，促进了水稻穗分枝和穗粒数，最终导致产量增加，相关结果以题为Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition的研究长文形式发表在Science上。
复粒稻表型显著，但通过图位克隆始终无法定位到具体基因。考虑到图位克隆依赖于杂交群体的构建和后代性状与目的基因型的共分离，一是可能CL位点包含复杂的结构变异，导致一定区间内的连锁不平衡和后代偏分离，二是可能该性状易受到父母本基因组合的影响，导致后代个体表型与目的基因型的非绝对关联性分离，对精细定位造成了干扰。为此，研究人员另辟蹊径，以复粒稻为背景，通过化学诱变，从包含1万份诱变株系、16万份诱变单株的群体中筛选出2份不簇生的突变体株系，进而以复粒稻为对照，以不簇生的突变体为对象进行回交群体构建，结合重测序和关联分析，最终克隆到了目的基因。结果表明，一个被称为BRD3的BR代谢酶基因，在诱变过程中发生了突变，导致了簇生的消失。而对复粒稻基因组进行组装发现，BRD3前存在倒位、缺失、插入等复杂的染色体结构变异，激活了BRD3的表达，导致BR减少，是簇生发生的主要原因。因此CL实际上是指包含了复杂结构变异并激活BRD3表达的整个染色体区段。复粒稻簇生性状与结构变异紧密连锁，并且复粒稻表型与BR激素水平直接相关，解释了通过图位克隆无法成功克隆CL的原因；而以复粒稻为对照在同一背景下进行抑制子的筛选，避免了上述问题，为作物复杂性状的调控基因克隆提供了方法借鉴。
BR最早发现于上世纪七十年代末，现已成为农业生产上广泛使用的一种植物生长调节剂。研究发现，BR显著控制着水稻的株高、叶夹角、籽粒大小等关键育种性状，但BR如何控制穗粒数并不清楚。严格的比较分析发现，复粒稻穗的二级分枝以及穗粒数显著增多。扫描电镜观察发现，其主要原因在于水稻穗分枝过程 “二级分枝分生组织”（SBM）向“小花分生组织”(SM)的转变延迟，从而产生了更多的SBM和SM，伴随着小穗柄变短，导致了簇生表型的发生。与此观察完全一致，研究人员通过多种技术手段，发现BRD3特异地在SBM激活表达，导致了该部位的BR含量减少，使得BR信号通路核心抑制子GSK2被激活，GSK2进而磷酸化转录因子OsMADS1并促使其更加稳定，后者又直接结合RCN2并促进其表达。RCN2作为拟南芥TFL1的同源基因，是调控SM身份性的重要因子，被激活后延迟了SBM向SM的转变，使得水稻具有更多的时间来进行分枝，从而促进了二级分枝，增加了穗粒数。穗分枝是一个复杂而有序的过程，伴随着一系列分生组织转化事件的发生，该研究是首次发现BR在控制水稻穗二级分枝过程中的重要调控作用。
育种本质上是多性状的平衡优化过程，而穗粒数和籽粒大小之间的负相关是育种过程中难以克服的问题之一，一定程度上限制了当前水稻单产的进一步提升。BR对籽粒大小的促进作用极为显著，而该研究发现的BR对穗粒数的抑制作用，代表了一种全新的两个关键产量性状间的平衡机制。尤为重要的是，复粒稻对水稻种子大小和品质几乎毫无影响，但穗分枝和穗粒数显著增多，导致了产量相应地增加。免疫荧光和原位杂交等体内检测技术证实，GSK2、OsMADS1、RCN2三者和BRD3一样，均在SBM中被特异性地激活。因此，复粒稻中BR含量组织特异性地受到抑制，从而避免了BR缺陷对籽粒大小的负面影响。BR虽然被认为在农业生产与作物改良上具有重要应用潜力，但作为激素的功能多效性是BR应用的最大挑战之一，该研究发现空间特异性地控制激素含量可有效破解性状间的偶联，揭示了一种通过优化BR空间分布来避免激素负效应的新策略。
研究团队进一步将CL导入到不同品种中，证实复粒稻簇生性状具有巨大的增产潜力，并且由于促进穗分枝机制上的不同，CL可以和著名的穗粒数控制基因Gn1a联合使用进一步增加产量。通过杂交选育将CL和Gn1a聚合后，水稻穗粒数最高可达600粒之多。此外，研究团队通过对簇生辣椒和非簇生辣椒，以及具有簇生花的蔷薇和非簇生花的玫瑰进行BR测量比较发现，和水稻一样，簇生与非簇生之间具有类似的BR含量变化。这一结果暗示，BR控制簇生的机制在大自然中可能具有普遍性。多年多点田间比较试验发现，由于CL通过控制激素水平发挥功能，而激素本质上具有微量高效并易受环境影响的特点，因此CL增产效果与背景材料中的激素水平以及种植条件密切相关。
论文在审稿过程中得到三位匿名审稿人的一致高度评价。审稿人1: “这是一项可能会引起广大科学界极大兴趣的研究，令人信服地说明理解特定环境下的激素信号可应用于作物产量的提升。”审稿人2: “该研究清楚地证明了BR的时空调控是提高水稻产量的关键，详细的数据也证实BR调控花序发育的新功能，这一作用不仅影响水稻，还影响其他种子植物，包括双子叶植物。从这个意义上说，本文对BR的作用机制提供了新的见解，不仅是鉴定了一个具有农艺改良和分子育种价值的新等位基因，也是基础科学研究中的一个重要发现。”审稿人3: “这项研究具有极高的科学价值，尤其是对禾本科谷类作物而言。”
中国农科院作科所童红宁课题组的张晓星博士（现清华大学颜宁院士课题组博士后）、孟文静博士、刘大普博士以及福建农科院水稻所赵明富课题组的潘德灼博士为论文共同第一作者，童红宁研究员、赵明富研究员、钱前院士为共同通讯作者。中国科学院遗传发育所储成才研究员、陈倬博士（现福建农林大学）、中国农科院作科所路则府研究员、马小定博士以及童红宁课题组和赵明富课题组的其他成员参与了本研究。该研究同时得到了扬州大学李钱峰教授、西南大学李云峰教授、四川农业大学孙昌辉教授、中国科学院遗传发育所江光怀博士、中国农科院作科所王文生研究员、中国农科院蔬菜花卉所田彩环博士和吴华茂博士等提供的材料和技术支持以及相关指导。本研究得到了国家自然科学基金、中国农科院创新工程、崖州湾种子实验室、福建省“5511”协同创新工程等项目资助。
李家洋院士点评：
多性状间的复杂关联既是一个重要的科学问题，也是作物分子设计改良中面对的重要挑战。水稻穗粒数和粒重之间的负相关是一个典型的例子，限制了水稻单产的进一步提升。该研究发现油菜素内酯（Brassinosteroid, BR）抑制穗粒数，结合BR促进粒重的功能，代表了一种粒重和穗粒数之间新的平衡机制。尤为重要的是，该研究发现组织特异性地抑制BR含量可以只增加穗粒数，而不影响粒重和品质，一定程度上破解了两者之间的负相关平衡关系，是一种极有潜力的分子设计策略。这个策略对于其它激素而言也具有参考意义，尤其是在植物体内具有动态转运的激素如生长素和细胞分裂素等。未来应在作物中进一步加强植物激素空间分布调控的相关基础研究，为理解多性状的相互关联与平衡机制，进而开展多性状的协同改良奠定基础，最终实现高产稳产并保障粮食安全。
林鸿宣院士点评：
复粒稻历史悠久，早年间在连锁群构建中就被用作水稻6号染色体的重要表型标记。近年来很多人对该表型性状一直开展研究，但相关调控基因克隆难度大，一直未成功。现在很高兴看到这项工作最终解开了答案，发现BR含量控制着这个表型。这是红宁等人在多年从事水稻BR研究的基础上取得的重大突破，工作量非常大，从遗传分析、到细胞学观察、到化学诱变、到基因克隆、到基因组组装、到分子机制解析、到育种评价、最后还扩展到了其它物种中。数据也非常扎实，从BR代谢基因做到TFL1同源基因，与表型观察十分契合，涉及到的多个分子全部用原位杂交或免疫荧光证实了它们的组织特异性表达，并且基因的功能也都有遗传证据作为支撑。这项工作也说明从种质资源中挖掘基因资源是突破当前作物产量瓶颈的有效途径，应给予高度重视。
文章来源：植物生物技术Pbj
