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穗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒重，是決定水稻產(chǎn)量的三個核心要素。如果這三大要素能夠“齊心協(xié)力”，水稻增產(chǎn)便不是問題。然而，它們之間的關(guān)系有點(diǎn)像“魚和熊掌”，不可兼得。

“一株水稻如果穗數(shù)長的特別多，穗子就會變小，粒重也會變輕;穗子大了，穗數(shù)就會變少。它們之間往往存在一種此消彼長的負(fù)相關(guān)關(guān)系，一個增大的時(shí)候，另外一個就變小了。”4月22日，在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員余泓解釋說。

近日，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)揭示了水稻產(chǎn)量核心要素穗重和穗數(shù)之間相互制約的分子機(jī)制，為打破這種制約關(guān)系提供了一種可行方法，為突破水稻產(chǎn)量瓶頸提供了新的遺傳資源與研究思路。相關(guān)研究成果4月21日23時(shí)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-生物技術(shù)》上發(fā)表。

“不同農(nóng)藝性狀之間存在的這種此消彼長現(xiàn)象，被生物學(xué)家稱為權(quán)衡效應(yīng)，這一效應(yīng)使得一些優(yōu)異性狀往往不能兼得。這種權(quán)衡效應(yīng)可能由連鎖累贅或基因多效性引起。”余泓說。

他進(jìn)一步解釋道，所謂連鎖累贅，是指傳統(tǒng)育種中，在有利基因的導(dǎo)入時(shí)帶入了與之連鎖的不良基因，造成育種后代表型與預(yù)期結(jié)果不一致;而基因多效性則是一個基因控制著多種表型。

“目前，連鎖累贅可以通過基因的精細(xì)定位和交換重組來解決，然而，基因多效性引起的權(quán)衡效應(yīng)仍然沒有有效方法進(jìn)行解除。”余泓說，如何解決基因多效性造成表型間的權(quán)衡效應(yīng)，對于突破現(xiàn)有育種瓶頸有重要科學(xué)意義。

此前李家洋團(tuán)隊(duì)鑒定到的一個水稻株型調(diào)控的主效基因IPA1，可用于調(diào)控水稻多方面生長發(fā)育過程，對抗病性和環(huán)境適應(yīng)性也有重要調(diào)控作用，已廣泛應(yīng)用于優(yōu)良水稻品種的培育。但I(xiàn)PA1是一個典型的多效性基因，在增大穗部的同時(shí)會使分蘗數(shù)降低，限制了其增加水稻產(chǎn)量的潛力。

在這項(xiàng)研究中，科研人員創(chuàng)制出大量IPA1順式調(diào)控區(qū)平鋪刪除的基因編輯材料，并從中發(fā)掘出了可以同時(shí)提高穗重和穗數(shù)的編輯材料IPA1-Pro10，該編輯材料還同時(shí)具有株高變高、莖稈和根系粗壯的表型。經(jīng)田間小區(qū)測產(chǎn)鑒定，IPA1-Pro10與對照品種中花11相比能夠增產(chǎn)15.9%，大大提高了水稻產(chǎn)量。該研究還進(jìn)一步闡明了IPA1順式調(diào)控區(qū)調(diào)控穗部表型的分子機(jī)制。

余泓表示，這項(xiàng)研究通過平鋪刪除策略，通過編輯篩選水稻關(guān)鍵基因的順式調(diào)控區(qū)成功實(shí)現(xiàn)了水稻產(chǎn)量關(guān)鍵要素間負(fù)相關(guān)性的解除，打破了魚和熊掌不可兼得的魔咒，為通過創(chuàng)制全新遺傳資源打破水稻產(chǎn)量瓶頸提供了有效策略。

“未來對作物核心基因順式調(diào)控區(qū)的系統(tǒng)功能挖掘，有望為突破現(xiàn)有作物育種瓶頸提供新的分子機(jī)制與遺傳資源。”余泓強(qiáng)調(diào)。(科技日報(bào)記者 陸成寬)