图 组织特异性抑制BR促进水稻穗粒数的机制

在国家自然科学基金项目（批准号：U21A20208、32272141）等资助下，中国农业科学院作物科学研究所童红宁研究员团队与福建省农业科学院水稻研究所赵明富研究员团队合作，揭示了一种独特的水稻种质资源“复粒稻”的遗传基础，并解析了植物激素油菜素甾醇（BR）调控水稻穗分枝及增加穗粒数的机制。研究成果以“组织特异性油菜素甾醇（BR）抑制促进水稻穗分枝和产量（Enhancing rice panicle branching and grain yield through tissue-specific brassinosteroid inhibition）”为题，于2024年3月8日在线发表于《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk8838。

复粒稻是一种具有多粒簇生特点的水稻种质资源，自上世纪三十年代被报道以来，世界各国科学家对此开展了大量研究，但一直未克隆到具体调控基因，复粒稻形成的遗传机制始终是未解之谜。该研究团队利用复粒稻作为背景材料，通过化学诱变筛选获得回复突变体，进而通过构建回交群体并结合重测序和关联分析，最终克隆到了簇生控制基因BRD3，发现其编码一个植物激素油菜素甾醇（BR）代谢酶。对复粒稻基因组分析发现，BRD3基因上游存在倒位、缺失和插入等复杂的染色体结构变异，激活了BRD3的表达，导致BR减少，最终诱发多粒簇生现象。

该研究团队进一步解析了BR调控穗粒数的分子通路。研究表明，BRD3在水稻穗二级分枝分生组织部位被适度激活，导致了该部位BR含量降低，进而促进分生组织转化调控基因RCN2的表达，延迟二级分枝分生组织向小穗分生组织的转变，从而产生更多的水稻二级分枝，最终导致穗粒数增加。尤为关键的是，复粒稻中穗粒数的增加并未对粒重等农艺性状产生负面影响，因此复粒稻具有明显的产量优势。该研究首次发现BR具有通过调控水稻穗二级分枝决定穗粒数的功能，表明组织特异性抑制BR可破解水稻穗粒数和粒重之间的负相关平衡关系，为实现水稻产量突破提供了理论基础。尤为重要的是，通过对簇生辣椒和非簇生辣椒，以及具有簇生花的蔷薇和非簇生花的玫瑰进行BR测量比较发现，与水稻一样，簇生与非簇生之间具有类似的BR含量变化趋势，说明BR含量控制簇生的机制在自然界中可能具有普遍性。