关键基因“原地结婚”造就“理想型”小麦学术资讯

来源：中国科学报

■本报记者李晨

“为了突破‘绿色革命’基因的单产瓶颈，我们已经探索了至少10年。我的博士生宋龙是这篇论文的第一作者，从大二开始就跟着我研究这个问题，已经9年了。”中国农业大学农学院小麦研究中心教授倪中福告诉《中国科学报》。

近日该团队发表于《自然》的这篇论文，通过多年大规模田间表型调查和遗传学研究，鉴定到一个显著提升小麦群体产量的关键位点，为高产高效半矮秆小麦新品种培育提供了重要基因资源和新的育种策略。

长期关注“绿色革命”基因的中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东等人在《植物学报》发表相关评论指出，该研究是小麦功能基因组研究的重大进展之一，提出了通过调控赤霉素和油菜素内酯双重信号转导机制实现农业可持续发展的育种新策略，将助力小麦新一轮“绿色革命”，为低碳绿色农业发展奠定了新的理论基础。

“绿色革命”基因遭遇单产瓶颈

小麦是世界上种植面积最大的粮食作物，为人类提供21%的食物热量和20%的蛋白质来源。华南农业大学教授储成才在接受《中国科学报》采访时说，20世纪60年代，半矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b的利用显著提高了小麦抗倒伏能力，因而提高了收获指数，使得小麦产量大幅提升，引发了第一次“绿色革命”。

然而，“绿色革命”基因并非完美。2020年，傅向东等人在《科学》发表长文，证实了半矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b使作物的氮素利用效率大大降低，而关闭这些基因则能让作物的氮素利用效率恢复正常。

“矮化品种的问题在于粒重低、肥料利用效率降低，导致农业生产上需要大量施肥才能保证增产。”储成才说，实现“减肥增产”一直是育种家和农民的梦想。

近年来，随着技术进步以及小麦基因组的破译，关于矮秆基因的作用机理已经逐渐清晰。

“矮秆作物可以在氮肥利用效率低的情况下提高作物产量，我们在理解这种潜在机制上取得了令人印象深刻的进展。但是，由于矮秆基因Rht-B1b和Rht-D1b是赤霉素信号通路的负调控因子，而所有矮秆作物都依赖赤霉素，使得在新时代引发另一场‘绿色革命’有一定的局限性。”扬州大学农学院教授刘巧泉告诉《中国科学报》，现代矮秆作物不仅要有高产量，还要有卓越的质量及环保特性。

面对全球性的小麦单产瓶颈，论文通讯作者倪中福表示：“迫切需要开发新策略，挖掘和利用新的矮秆基因资源，培育不依赖第一次‘绿色革命’基因的半矮秆小麦品种。”

然而，长期以来学者们始终没有找到突破口。

十余年前，注重收集小麦种质资源的倪中福课题组发现了一些我国特有的小麦材料，其中部分来自育种家的“半成品”。它们具有半矮秆的株型，但和携带“绿色革命”基因的矮秆小麦不同的是，它们的千粒重较高，氮肥利用效率也较高。

“这里面可能有好的基因。我们就是这么开始的。”倪中福说。凭借中国农业大学教授孙其信作为学术带头人的小麦研究中心科研平台，结合倪中福在遗传学方面的特长以及中国农业大学副教授刘杰在分子生物学方面的优势，他们组成了一个优势互补的团队，终于搞清了我国独有的小麦材料中蕴含的奥秘。

两个激素信号调控基因“原地结婚”

宋龙告诉《中国科学报》，他们基于正向遗传学研究策略，在小麦的4B染色体短臂上找到了一个大片段的缺失。他们注意到，其中有3个紧密连锁的基因丢失了，即Rht-B1/EamA-B/ZnF-B，并将其命名为r-e-z单倍型。其中的r恰恰就是“绿色革命”基因。

“我们这个天然材料保持了半矮秆株型，且茎秆强度、耐密性、收获指数、千粒重和产量等均有显著提升。”宋龙说，矮秆基因的缺失并没有引起株高的显著变化，他们猜测，这很可能与另外两个基因的缺失有关。

为解析决定r-e-z遗传效应的候选基因，他们利用基因编辑技术创制了这3个基因（Rht-B1/EamA-B/ZnF-B）的不同类型突变体，并分别与携带“绿色革命”基因Rht-B1b的矮秆小麦进行对比。

其中，Rht-B1b功能丧失的突变体株高、穗长和粒重显著增加，氮素利用率提高。“这验证了傅向东2020年《科学》论文的结论。”宋龙说。

而ZnF-B功能缺失的突变体表现出株高和千粒重降低的表型，但穗长没有显著差异。

研究人员在EamA-B敲除株系与对照组之间没有观察到表型改变，且Rht-B1b和ZnF-B同时突变与r-e-z遗传效应基本相似。

倪中福打了一个比喻，在r-e-z单倍型中，离得很近的Rht-B1b和ZnF-B“原地结婚”了，并且双双缺失，造就了一个非常符合育种家和遗传学家“理想型”的材料。而“顺便”缺失的EamA-B目前没有发挥什么特别作用，有点像一个“不亮的电灯泡”。

其实，ZnF-B也是大有来头的基因。倪中福告诉《中国科学报》，研究发现，它是一个新的油菜素内酯信号通路的正调控因子。油菜素内酯信号通路的启动会让植株长高。ZnF-B缺失后，阻遏了油菜素内酯信号的正常传导，进而使小麦株高降低。

刘巧泉说，除了赤霉素以外，油菜素内酯是另一种关键的植物生长促进激素，在调节作物的重要农艺性状方面发挥着广泛作用，包括植物结构、粒径、叶角、株高、分蘖、种子发芽和对环境刺激的反应。“油菜素内酯有可能引发下一轮‘绿色革命’。”他说。

替代“绿色革命”基因的潜力

“在r-e-z单倍型材料中，赤霉素和油菜素内酯信号通路形成了一种平衡调控。”倪中福说，Rht-B1基因缺失导致赤霉素信号通路启动，小麦的氮素利用率提高；而ZnF-B缺失阻断了油菜素内酯信号通路，进而保持了小麦的矮秆性状。

“这为利用新的矮秆基因资源培育不依赖‘绿色革命’基因的半矮秆小麦品种提供了先例。”倪中福告诉记者，从基础研究到生产实践还有很多研究要做。他们多年来坚持大田试验，就是想通过这种最接近生产实践条件的方式验证基础研究的假设和结论。

由此，他们也发现了育种家没有选择这种“半成品”材料的原因。原来，这种我国独有的小麦材料分蘖数较少，在育种家看来，它的单株特性不是很理想，所以不知道应该怎么用它来育种。

倪中福说，它的这一缺点其实可以依靠其自身的耐密植特性弥补。

“增加种植密度就能让产量提高。”宋龙告诉记者，他们的大田试验证明，在群体水平下，r-e-z缺失单倍型可使小麦增产10%以上。这也提醒育种家今后在选育品种时应该全面考虑不同的增产途径，特别是大穗大粒小麦品种的培育。

研究团队对r-e-z缺失单倍型分析后发现，这是一种稀有的变异类型，仅在我国的12份种质资源中存在。他们已经初步选育出4个整合了r-e-z单倍型的高产、半矮秆小麦苗头品系，在群体条件下它们的产量比高产主栽品种“良星99”提高6.5%~15.2%。

“这一研究成果展示了通过调控赤霉素和油菜素内酯两大生长类激素，设计新型矮秆高产高氮肥利用率的小麦新品种的全新策略，在实现‘减肥增产’的新一轮‘绿色革命’中具有重要价值。”储成才说。

油菜素内酯对加速实现下一次“绿色革命”具有潜在贡献，刘巧泉认为，这项针对小麦的研究为此提供了具有代表性的证明。科学家对水稻和玉米也进行了类似的研究，结果证明，对油菜素内酯生物合成途径进行适当的遗传调控，可以让水稻在利用更少肥料的同时提高产量。不过，科学家仍然需要进一步的研究工作来获得更多天然材料和人工创制材料，以供未来进行精确高效的分子设计育种。

“这是一项具有广泛影响力的科研进展，将为后续培育少投入、高产出的环境友好型小麦新品种提供帮助。”论文评审人说。

傅向东认为，r-e-z缺失单倍型具有在半矮秆育种中替代“绿色革命”基因的巨大潜力。