東北地理所在無(wú)胚水稻調(diào)控基因的鑒定及機(jī)制解析方面取得重要突破
水稻種子發(fā)育直接影響稻谷的產(chǎn)量和品質(zhì)。胚和胚乳分別是種子的繁殖和能量?jī)?chǔ)存器官，二者的協(xié)同調(diào)控確保種子的正常發(fā)育。無(wú)胚水稻（embryolessrice）是上世紀(jì)90年代日本學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)，無(wú)胚水稻不僅是研究胚與胚乳發(fā)育分子機(jī)制的優(yōu)異材料，其受溫度調(diào)控的無(wú)胚表型也具有重要的育種應(yīng)用潛力。但無(wú)胚水稻的調(diào)控基因至今未見(jiàn)報(bào)道。
近日，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所卜慶云研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威綜合性學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表題為OsBZR4 regulates temperature-dependent embryogenesis in rice的研究論文，鑒定到無(wú)胚水稻的調(diào)控基因OsBZR4，并揭示了其作用機(jī)制。
該研究首次發(fā)現(xiàn)，OsBZR4是調(diào)控?zé)o胚水稻的關(guān)鍵基因，在不同栽培品種中突變?cè)摶蚓僧a(chǎn)生60%-100%的無(wú)胚種子。OsBZR4特異表達(dá)于盾片-胚乳界面。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)OsBZR4抑制YUC4和PIN5b的表達(dá)，通過(guò)調(diào)控早期發(fā)育種子中生長(zhǎng)素含量和分布來(lái)發(fā)揮作用。外源施加生長(zhǎng)素或過(guò)量表達(dá)YUC4均能提高水稻無(wú)胚率，而施用生長(zhǎng)素運(yùn)輸抑制劑NPA則降低無(wú)胚率。此外，高溫環(huán)境會(huì)顯著增加bzr4突變株系的無(wú)胚率，發(fā)現(xiàn)高溫能誘導(dǎo)OsPIL13基因表達(dá)，OsPIL13促進(jìn)YUC4的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)一步增加生長(zhǎng)素含量，從而解析高溫增加無(wú)胚率的機(jī)制。有意義的是，將bzr4等位突變導(dǎo)入優(yōu)良水稻品種中嘉10和中嘉11，在不影響水稻產(chǎn)量前提下，可提高精米產(chǎn)量和耐儲(chǔ)性。
圖1 水稻bzr4突變體產(chǎn)生無(wú)胚種子
該研究首次揭示了通過(guò)調(diào)控OsBZR4可培育出具有溫度敏感型的無(wú)胚水稻種質(zhì)，既能提高稻谷的精米產(chǎn)量，又能提高稻谷的耐儲(chǔ)性。在此基礎(chǔ)上，未來(lái)將嘗試創(chuàng)制一種溫度調(diào)節(jié)的無(wú)胚水稻種質(zhì)，該種質(zhì)可以在低溫條件下產(chǎn)生正常種子，用于繁殖，在常溫或高溫條件下產(chǎn)生高比例的無(wú)胚種子用于糧食生產(chǎn)，來(lái)促進(jìn)新型水稻生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。
圖2 OsBZR4調(diào)控水稻胚發(fā)育模式圖
東北地理所王臻昱副研究員和已畢業(yè)博士生許敏（現(xiàn)就職于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)）為該論文共同第一作者，劉穎湘博士做了大量工作，東北地理所卜慶云研究員和崖州灣實(shí)驗(yàn)室錢(qián)前院士為該論文的共同通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)所鄭曉明研究員，東北地理所田曉杰、李秀峰副研究員和唐佳琦博士也參與了該研究工作。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFD1201001-3）、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U23A20193）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（32171988，3217198）和黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)（創(chuàng)新基地）項(xiàng)目（JD24A011）的經(jīng)費(fèi)支持。
論文信息：
Zhenyu Wang#,Min Xu#,Yingxiang Liu,Xiaoming Zheng,Zhipeng Hong,Mingliang He,Xin Jin,Jiaqi Tang,Xiufeng Li,Xiaojie Tian,Qian Qian*,Qingyun Bu*. OsBZR4 regulates temperature-dependent embryogenesis in rice. Nature Communications,2025,16: 6893.
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62262-3
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