水稻育种专家每一每一会碰着一些头疼的突破下场：穗子大了穗数变少、能抗病的育种优异不高产、高产了不优异……优异性状相生相克，瓶颈“鱼与熊掌”难以兼患上。实现上往事迷

克日，性状信网中国迷信院遗传与发育生物学钻研所李家洋院士团队揭示了水稻产量中间因素穗重以及穗数之间相互限度的兼患份子机制，为突破这一育种瓶颈提供了新的鱼与熊掌遗传资源与钻研思绪。相关下场4月21日宣告于《做作—生物技术》。突破

“鱼与熊掌”之困

水稻是育种优异最紧张的主粮作物之一，养活了天下一半以上的瓶颈生齿。水稻产量主要由三其中间因素抉择：穗数、实现上往事迷每一穗粒数、性状信网粒重。兼患

可是鱼与熊掌，这三特色状在水稻中个别呈负相关。好比穗子增大时，穗数削减。

“这种的性状间此消彼长的天气称为掂量效应（trade-off effect）。”论文第一作者、中科院遗传发育所副钻研员宋晓光向《中国迷信报》批注，它是植物在临时的抉择进化历程中取患上的，由于植物在做作情景中妨碍时可供其运用的资源是有限的，在增强某方面性状的同时，就不患上不削弱其余方面性状。

迷信家已经发现，这些差距农艺性状之间此消彼长的掂量效应可能与两个因素无关——连锁负责或者基因多效性。

据介绍，连锁负责是传统回交育种中，在有利基因的导入中带入了与之连锁的不良基因，组成育种后世表型与预期服从不不同。当初，这一下场可经由基因的详尽定位以及交流重组来处置。

可是，基因多效性引起的掂量效应仍未有实用措施妨碍破除了。当初的基因功能钻研主要关注一个基因发生的优异表型，而每一每一漠视了其同时带来的负效应，使患上育种实际中这种负效应难以销毁，惟独大批基因可能患上到很好运用。

是否可能处置基因多效性组成表型间的掂量效应呢？为了回覆这一下场，钻研团队运用基因编纂技术，对于水稻事实株型主效调控基因IPA1妨碍了编纂，实现为了穗重以及穗数优异表型“鱼以及熊掌”的兼患上，突破了现有育种瓶颈。

“剪掉”性状连锁

IPA1是李家洋团队以前判断进去的一个典型的多效性基因。它可能调控水稻多方面成长发育历程，坚持病性以及情景顺应性也有紧张调控熏染。

“削减IPA1在水稻中的表白量可削减水稻每一穗粒数，使水稻的穗子变大，可是同时会使每一棵水稻长出穗子的数目（分蘖数）飞腾，影响了其增产后劲。”宋晓光说，“假如能只后退IPA1在穗部的表白水平，使其只增大穗部，而不影响穗数，致使削减穗数，就能进一步后退水稻的产量。”

为突破基因多效性组成的穗部以及分蘖的限度关连，钻研团队提出了经由刷新IPA1的表白调控区，分说调控其在幼穗、茎基部等各机关中的表白水平，实现差距表型的特异性调控，从而打歇业量因素之间负效应的策略。

宋晓光介绍，一个基因可分为编码区以及表白调控区（顺式调控区），其中编码区抉择了基因编码产物的功能，而表白调控区抉择了这个基因在何种机关以及器官表白及表白的光阴以及多少多。

“编码区以及表白调控区的变异都在作物的驯化以及改善中发挥了关键的熏染。可是由于技术措施的限度，以前的钻研大部份会集于编码区，对于表白调控区的钻研颇为匮乏。”他说。

运用“基因铰剪”CRISPR/Cas9技术，钻研团队对于IPA1基因的表白调控区妨碍了零星性的序列删除了，来钻研其功能。

“基因编纂工具很强盛，可能对于一个基因的任何区段妨碍编纂操作，但要对于哪里妨碍编纂能耐突破负效应，咱们需要判断这些区段。”论文通讯作者、遗传发育所钻研员余泓说，为此，他们把IPA1基因的表白调控区像“瓦片”同样，分成良多段，对于其分说妨碍删除了，以此判断“哪一个瓦片”中含有紧张的启动子调控元件。

经由这种措施，他们从表白调控区删除了的水稻株系中开掘出一个可同时后退穗数以及穗巨细的质料IPA1-Pro10，其在IPA1表白调控区有54个碱基的片断删除了，具备穗重以及穗数同时削减、株高变高、茎秆以及根系粗壮的表型。

新质料会让产量后退多少多呢？对于此，钻研团队妨碍了三个田间小区测产判断，服从表明新质料IPA1-Pro10与比力种类中花11比照可能增产15.9%，大猛后退了水稻产量。

“这是争先在植物中乐成运用‘启动子敲击’策略的钻研之一，是增长水稻产量提升的首要冲破性妨碍。”一位审稿人评估。

为清晰其眼前机制，该团队进一步钻研表明，驯化关键转录因子An-1能经由散漫54bp关键顺式熏染元件中的一个GCGCGTGT基序特异调控IPA1在幼穗的表白水平，进而特异调控穗部表型。

引领育种新趋向

谈到这项钻研的最大走光，余泓展现，传统育种都是运用做作界中存在的资源，把优异基因聚合在一起，来创制新种质。其条件是某个种类中存在咱们想要的优异基因。而要冲破个别存在的诸如穗数以及穗重等优异性状之间的“相生相克”，就要经由创制新资源的方式来实现。

新钻研经由“瓦片”平铺删除了策略，经由编纂筛选水稻关键基因的表白调控区乐成实现为了水稻产量关键因素间负相关性的破除了，为经由创制全新遗传资源，突破水稻产量瓶颈提供了实用策略。

“这是一个值患上关注的钻研趋向，也是懂良多个数目性状基因之间相互熏染份子机制的紧张妨碍。”一位审稿人如是展现。

突破性状连锁突破水稻产量瓶颈的份子机制 受访者供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-022-01281-7