12 月 6 日消息，據央視新聞報道，中國科學院遺傳與發育生物學研究所儲成才團隊和高彩霞團隊日前找到了調控水稻、小麥穗發芽問題的兩個“開關”，包括負調控種子休眠的關鍵基因 SD6 和正調控種子休眠的基因 ICE2。研究者認為兩個基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發芽導致的大規模農業損失提供解決方法。該成果 12 月 6 日在線發表于《自然 — 遺傳學》雜志。

　　據中國科學院遺傳與發育生物學研究所網站，種子休眠性是指種子在適合它生長的條件（溫度、水分和氧氣等）下仍不能萌發的現象，是多數高等植物所共有的適應性性狀。作物馴化過程中由于更多考慮高產、優質、抗病蟲及耐受逆境性狀，同時保證在生產中種子具有一致的萌發特性，常常忽視了對種子適度休眠的保留，從而導致很多作物如水稻、小麥在生產上大面積遭遇嚴重的穗發芽問題，即種子成熟期遇潮濕氣候在收獲前出現穗上籽粒萌發的現象，造成了在收獲的最后時刻面臨近乎絕收的巨大經濟損失。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關鍵基因，闡明種子休眠調控的分子生理機制，挖掘其優良等位變異，對解決水稻等作物穗發芽災害至關重要。

　　▲ 水稻穗發芽在全國多個主要稻區均頻繁發生 | 圖自中國科學院遺傳與發育生物學研究所網站，下同

　　然而，種子休眠性是一個極其復雜的農藝性狀，受到大量數量性狀位點的調控，并受到多種環境因素的顯著影響。導致種子休眠性關鍵調控基因的克隆較為困難，生產上缺乏實用的主要基因資源。針對這一現狀，中國科學院遺傳與發育生物學研究所儲成才團隊通過構建可穩定檢測到休眠控制位點區域的高密度染色體單片段代換系群體，成功從強休眠水稻品種 Kasalath 中克隆到一個控制水稻種子休眠的關鍵基因 SD6，并證實了 SD6 負調控水稻種子休眠性。通過篩選 SD6 互作蛋白，研究團隊發現了另一水稻轉錄因子 ICE2 正調控水稻種子休眠性。

　　通過分子生物學、遺傳學及生物化學等實驗，研究團隊揭示了 SD6 和 ICE2 均直接靶向脫落酸（ABA）8′-羥化酶基因 ABA8ox3 啟動子上，兩者分別識別啟動子上的 G-box 基序或 E-box 基序從而實現對同一靶基因的反向調控。另一方面，SD6 和 ICE2 通過拮抗調控另一個轉錄因子 OsbHLH048 間接地調控了 ABA 的關鍵合成調控基因即 9-順式-環氧類胡蘿卜素雙加氧酶基因 NCED2。這些發現揭示了一個新的激素平衡調控范式，即拮抗的轉錄因子對可通過直接地調控 ABA 的代謝，并間接地調控 ABA 的合成，從而實現 ABA 含量的及時高效調控，以切換種子的休眠與萌發。

　　種子休眠性既受遺傳調控，也可通過種子所處環境來調節。溫度是影響種子休眠和萌發最主要的環境因子。溫暖環境通常能加速解除種子休眠，促進種子萌發，而低溫則使種子維持休眠狀態。通過這種感知外界環境的能力，可以讓種子度過不利環境條件，如冬季低溫等。儲成才研究團隊發現 SD6-ICE2 分子模塊具備感知周邊環境溫度調控種子休眠性的特征：在常溫條件下， SD6 基因維持高水平表達，發揮其功能，而 ICE2 基因表達則受到明顯抑制，從而促進種子萌發；在低溫條件下，SD6 基因表達則受到明顯抑制，ICE2 基因表達量上調，從而使種子維持在休眠狀態。這一結果表明 SD6-ICE2 通過感知外界環境溫度變化此消彼長，動態控制種子中的 ABA 含量，從而調控種子休眠強度以適應自然氣候更替。這同樣解釋了種子休眠性是如何作為一種適應性策略來避免不適宜的條件。

▲ SD6 / ICE2 分子模塊作用模型及應用實例

　　含有 SD6 強休眠等位的近等基因系在大田表現出優異的穗發芽抗性，暗示該自然變異位點可用于優質水稻主栽品種的休眠性常規育種改良。同時，通過基因編輯技術對多個水稻易穗發芽主栽品種的 SD6 基因進行改良，該研究團隊證實在不同水稻品種背景下改良的材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣的情況下，其穗發芽情況顯著改善。高彩霞團隊對小麥品種科農 199 的 TaSD6 基因進行改良，也可以大幅提高小麥穗發芽抗性，表明 SD6 基因在水稻和小麥中控制種子休眠性的功能是保守的，即 SD6 在水稻和小麥穗發芽抗性育種改良中均具有重要應用價值。