科學家揭示水稻早熟高產新機制

　　水稻的生育期是決定品種種植地區與種植季節的重要農藝性狀，選育早熟高產新品種一直是水稻遺傳育種研究的主攻方向之一。在我國雜交水稻發展的早期階段，“高產不早熟、早熟不高產”即所謂“優而不早、早而不優”現象，是雜交稻品種培育上遇到的重大難題。對此，中國工程院院士袁隆平及其帶領的團隊從國際水稻研究所引進早熟材料“IR9761-19”，通過系選和測配，育成早熟恢復系“測64-7”。之后，中國科學院院士謝華安及其帶領的團隊利用測64-7與遲熟恢復系“明恢63”雜交，育成早熟恢復系“明恢77”。我國用這2個骨干恢復系配組出大批早熟高產組合并應用于生產，成功攻克了雜交水稻“優而不早，早而不優”的技術難關，實現雜交水稻在我國南方雙季稻區的廣泛應用，然而水稻早熟高產的分子生理機制仍未得到解析。

　　1998年四川農業大學鄧曉建等人發現早秈核不育系“6442S-7”具有完全顯性早熟特性，并初步定位了水稻第3染色體短臂存在的一個顯性早熟基因Ef-cd。之后，通過和中科院遺傳與發育生物學研究所儲成才研究組合作，歷經多年，圖位克隆了Ef-cd基因。Ef-cd基因為一個長片段非編碼RNA(long noncoding RNA)，通過介導該位點組蛋白甲基化水平，正向調控另一重要開花基因OsSOC1/OsMADS50的表達，從而促使水稻早熟。在全國不同緯度（北京、四川成都、浙江嘉興、福建福州）地區，對Ef-cd近等基因系及其衍生的早熟雜交稻進行田間比較試驗，結果表明Ef-cd能顯著提早水稻抽穗期7-20天，但對產量沒有影響，甚至在多個地區具有不同程度的增產效果。大規模組學分析表明，含Ef-cd水稻材料氮代謝、葉綠素代謝及光合作用相關基因表達顯著增強；生理實驗也證明，Ef-cd顯著提高了水稻硝態氮和銨態氮的吸收能力以及葉片的光合作用效率。這些結果表明Ef-cd基因兼顧早熟和高產兩個方面，具有資源高效利用的顯著特征。

　　通過和中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所韓斌團隊合作，研究人員對我國目前生產上應用的1439個雜交稻品種基因型和田間抽穗期表型數據分析發現，所有含Ef-cd基因的雜交稻組合（299份含雜合基因型、16份含純合基因型）在杭州和三亞兩地抽穗期平均提早9-10天。表明Ef-cd在我國雜交水稻生產上做出重大貢獻，是一個具有重大價值的基因。在當前水稻生產新形勢下，該基因的挖掘和利用將有力促進綠色超級稻品種培育的減肥增效需求，同時，對解決直播稻和糧經、糧菜、糧油連作稻的早熟豐產以及亞種間雜交稻“超親晚熟”等問題具有重要價值。

　　該項研究成果于8月27日在線發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上(DOI:10.1073/pnas.1815030116)。遺傳發育所儲成才研究組副研究員方軍（現為中科院東北地理研究所研究員）和四川農業大學鄧曉建課題組博士張帆濤（現為江西師范大學校聘教授）為該論文共同第一作者，儲成才、鄧曉建和方軍為通訊作者。相關研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的資助。

　　圖：Ef-cd能顯著縮短雜交稻生育期但不導致減產。A. 汕優63（SY63）和早熟汕優63（E-SY63）。B. II優838（II-You838）和早熟II優838（E-II-You838）。4個品種在北京(C)、浙江嘉興(D)、四川成都(E)和福建福州(F)等4個不同緯度地區進行小區試驗的產量結果。