【中科院之聲】科學(xué)家破解“無(wú)胚水稻”之謎 有望提升精米產(chǎn)量與耐儲(chǔ)性 | 科技前線(xiàn)
胚和胚乳是水稻種子兩個(gè)主要組成部分。在稻谷加工成精米的過(guò)程中，胚會(huì)被動(dòng)脫落。
無(wú)胚水稻因其胚所占的空間被胚乳填充，在提升精米產(chǎn)量和耐儲(chǔ)品質(zhì)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而其形成的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制未被揭示，限制了其在育種中的應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等破解了“無(wú)胚”水稻形成之謎，對(duì)培育兼具高精米產(chǎn)量和耐儲(chǔ)存品質(zhì)的水稻種質(zhì)具有重要作用。
揭示無(wú)胚水稻形成機(jī)制
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了水稻無(wú)胚性狀的關(guān)鍵調(diào)控基因OsBZR4.在不同栽培品種中突變?cè)摶颍僧a(chǎn)生60%至100%的無(wú)胚種子。在這些無(wú)胚種子中，原本由胚占據(jù)的空腔被胚乳組織完全填充。
▲OsBZR4功能缺失突變體產(chǎn)生無(wú)胚種子
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsBZR4作為一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，通過(guò)同時(shí)抑制生長(zhǎng)素合成基因與運(yùn)輸基因表達(dá)，來(lái)維持胚發(fā)育所需的生長(zhǎng)素穩(wěn)態(tài)。
在OsBZR4功能缺失突變體中，這種穩(wěn)態(tài)被打破，導(dǎo)致種子在早期發(fā)育階段中生長(zhǎng)素過(guò)度積累與分布異常，從而抑制胚的發(fā)育，最終產(chǎn)生無(wú)胚種子。
▲OsBZR4功能缺失導(dǎo)致種子中生長(zhǎng)素合成和分布異常
溫度調(diào)控?zé)o胚表型
OsBZR4功能缺失突變體的無(wú)胚表型具有明顯的溫度敏感性。在高溫(32°C)條件下，其無(wú)胚率超過(guò)90%，而在低溫(22°C)條件下，其無(wú)胚率則降至約42%。這一現(xiàn)象暗示，存在一個(gè)感受溫度并調(diào)控胚發(fā)育的信號(hào)通路。
深入研究顯示，高溫能夠誘導(dǎo)植物光敏色素互作因子(PIF)家族基因OsPIL13的表達(dá)，而OsPIL13又能激活生長(zhǎng)素合成基因YUC4的表達(dá)，從而加劇OsBZR4功能缺失突變體中生長(zhǎng)素的過(guò)度積累，最終導(dǎo)致產(chǎn)生更高比例的無(wú)胚種子。
▲OsBZR4功能缺失突變體的溫度調(diào)控機(jī)制
這一發(fā)現(xiàn)首次將溫度信號(hào)、OsPIL13、生長(zhǎng)素和胚發(fā)育聯(lián)系在一起，構(gòu)建了一個(gè)完整的作用模型。
育種應(yīng)用潛力顯著
研究團(tuán)隊(duì)將OsBZR4功能缺失等位突變導(dǎo)入優(yōu)質(zhì)粳稻品種“中嘉10”和“中嘉11”。結(jié)果顯示，這兩個(gè)新品系的農(nóng)藝性狀與野生型相當(dāng)，而精米率分別提高了2.52%和2.57%。
由于水稻的脂質(zhì)主要儲(chǔ)存在胚中，無(wú)胚糙米的脂質(zhì)含量顯著降低。這極大地延緩了水稻在儲(chǔ)存期間因脂質(zhì)氧化酸敗而導(dǎo)致的陳化現(xiàn)象。
加速老化實(shí)驗(yàn)表明，OsBZR4功能缺失突變體的貨架期比普通米延長(zhǎng)了約一倍。這種“一石二鳥(niǎo)”的優(yōu)異特性，證明了OsBZR4基因在水稻育種中巨大的應(yīng)用潛力。
▲OsBZR4功能缺失突變體提高水稻精米率和耐儲(chǔ)性
這項(xiàng)工作不僅填補(bǔ)了水稻無(wú)胚性狀分子機(jī)制研究領(lǐng)域的空白，更為水稻育種提供了極具價(jià)值的基因資源。
利用OsBZR4功能缺失突變體的溫度敏感特性，未來(lái)有望開(kāi)發(fā)出“溫敏無(wú)胚”育種系統(tǒng)：在相對(duì)低溫條件下產(chǎn)生高比例正常胚種子用于繁殖；而在高溫條件下產(chǎn)生高比例無(wú)胚種子用于糧食生產(chǎn)，推動(dòng)水稻生產(chǎn)技術(shù)的革新。
該基因的應(yīng)用有望協(xié)同提升水稻的精米產(chǎn)量和耐儲(chǔ)性，為保障糧食安全和提升稻米品質(zhì)提供新的有效途徑。
▲OsBZR4調(diào)控水稻胚發(fā)育作用模式圖
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-62262-3
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