北京时间2023年7月27日22时许，《自然-遗传学》杂志在线发表了华中农业大学邢永忠教授课题组（水稻产量生物学实验室）的研究论文“Suppressing a phosphohydrolase of cytokinin nucleotide enhances grain yield in rice”。该研究挖掘到一个水稻的重要增产基因GY3，该基因通过调控细胞分裂素的合成，可显著增加水稻每穗粒数，将小区产量提高7%~15%，为水稻高产育种提供了重要的基因资源。
水稻是世界上三大粮食作物之一，其种植面积超过24亿亩，产量超过7.5亿吨。2020年，我国水稻种植面积4.5亿亩，产量超过2.1亿吨。培育高产优质的水稻品种，不仅是科学研究领域的重要课题，也是我国粮食安全的重要保障。
我国种植的亚洲栽培稻（Oryza sativa）包括两个亚种，籼稻和粳稻，在漫长的亚种分化和长期的育种选择过程中，粳稻（短圆形）和籼稻（细长形）不仅在稻米外形特征表现出巨大的差异，而且在基因组水平也有很大不同。
针对水稻籼粳亚种间产量形成的机制异同问题，邢永忠教授课题组博士后吴比等开展了近12年的研究，发现了一种新的细胞分裂素合成途径，解析了水稻增产重要基因GY3的调控机制，对水稻遗传改良具有重要的意义。
团队利用籼稻品种特青和粳稻品种02428构建的高级遗传群体克隆了产量基因GY3，发现粳稻来源的GY3为优良等位基因，具有增产效应。团队在粳稻GY3启动子区域鉴定到一个反转座子插入，该反转座子的插入增强了GY3启动子区域的表观修饰，降低GY3表达量，从而增加每穗粒数和谷物产量。通过体内体外实验，进一步证明了GY3参与了细胞分裂素的“两步法”合成，敲除或者抑制GY3的表达，可减少细胞分裂素合成前体底物的无效消耗，提高体内活性细胞分裂素含量，从而增加水稻产量。通过对GY3启动子区域序列分析，研究发现，大部分粳稻（98%）和少部分籼稻（21%）携带优良GY3等位基因，而当前推广的籼稻品种绝大多数不具有GY3增产等位基因，这也表明，GY3在籼稻育种中还没有被育种家利用。团队将GY3优良等位基因导入93-11等4个籼稻恢复系后，发现改良的恢复系小区产量提高9.1%~16.3%。利用这些改良恢复系配制的杂交种，也比原始杂种小区产量提高7.4%~15.4%。这些结果表明，GY3可作为籼稻高产育种的重要基因，有望推动籼稻品种产量的大幅度提升。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室已出站博士后吴比博士为该论文第一作者，邢永忠教授为通讯作者。张启发教授、殷平教授、李兴旺教授、谢为博教授、鄢文豪教授、王磊教授、李香花研究员和肖景华副教授参与了研究的指导工作。相关工作得到国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系和作物遗传改良全国重点实验室自主研究等项目的资助。
【英文摘要】One-step and two-step pathways are proposed to synthesize cytokinin in plants. The one-step pathway is mediated by LonELY GUY （LOG） proteins. However, the enzyme for the two-step pathway remains to be identified. Here, we show that quantitative trait locus GY3 may boost grain yield by more than 20% through manipulating a two-step pathway. Locus GY3 encodes a LOG protein that acts as a 5′-ribonucleotide phosphohydrolase by excessively consuming the cytokinin precursors, which contrasts with the activity of canonical LOG members as phosphoribohydrolases in a one-step pathway. The residue S41 of GY3 is crucial for the dephosphorylation of iPRMP to produce iPR. A solo-LTR insertion within the promoter of GY3 suppressed its expression and resulted in a higher content of active cytokinins in young panicles. Introgression of GY302428 increased grain yield per plot by 7.4% to 16.3% in all investigated indica backgrounds, which demonstrates the great value of GY302428 in indica rice production.
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41588-023-01454-3
