近日，四川農業大學水稻所吳先軍教授團隊克隆了調控水稻每日開花時間新基因EMF1，并解析其影響水稻漿片細胞壁發育的分子機制及其潛在應用價值。該成果為雜交水稻不育系的開花習性改良和雜交水稻制種產量的提高提供了理論指導和基因資源。相關研究成果在線發表在植物學知名期刊Plant Biotechnology Journal。
在雜交水稻產業中，雜交制種效率是決定雜交組合能否得到廣泛應用的重要因素。在傳統的雜交水稻系統中，恢復系（R）是花粉供體，雄性不育系（MS）是花粉受體，只有當雙親小花的開花時間相遇時，才能高效地生產雜交種子。但在大多數雜交組合，尤其是秈粳雜交組合中，MS系的平均開花時間通常要晚于R系，這極大地限制了雜交稻制種效率。
該研究團隊通過對宜香1A的對應保持系宜香1B進行EMS誘變，篩選出一個早花突變體emf1，能夠使每日的開花時間提早約2.5小時。該突變體漿片細胞壁中的纖維素和果膠等成分含量顯著降低，漿片細胞壁結構疏松，吸水速率顯著提高，漿片膨大加快從而促使穎花開放時間提前。EMF1編碼一個DUF642蛋白，在水稻不同發育時期不同組織中均有表達，在揚花期的花器官中表達量較高。EMF1蛋白定位于細胞壁，能夠與果膠甲基酯酶（PMEs）和葡聚糖酶（GLN2）互作從而影響漿片細胞壁中果膠和纖維素的合成。EMF1突變影響PMEs和GLN2功能，導致漿片細胞壁的形成受到影響，細胞壁結構變得疏松，吸水性增強，從而提早水稻的開花時間。
為探討EMF1的育種利用，研究團隊將emf1與宜香1A回交獲得宜香1A-emf1，宜香1A-emf1的開花時間比宜香1A提早約2.5小時；同時為了測試EMF1在粳稻中的應用，在中花11中敲除了EMF1，同樣獲得了花時提前了約2小時的中花11突變株系。此外，通過對多樣性水稻種質中EMF1的單倍型分析，發現在第二外顯子存在一個C到T的變異引起了氨基酸的改變，該變異在熱帶粳稻中形成了一種新的單倍型（H6），其開花時間明顯早于粳稻中的主要單倍型（H4）。并且H6等位型在熱帶粳稻中連鎖不平衡衰減速度緩慢，表明其可能在熱帶粳稻的育種過程中受到了人工的選擇。以上研究為水稻每日開花時間調控分子機制解析提供了新思路，同時展現了EMF1基因在雜交水稻不育系培育和制種產量提高中的潛在應用價值。
水稻研究所副教授徐培洲、博士研究生吳挺開和Dr.Asif Ali為論文的共同第一作者，周浩教授和吳先軍教授為論文的共同通訊作者，中國科學院遺傳與發育研究所傅向東研究員和宜賓市農科院江青山研究員參與了此研究。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、四川省科技廳育種攻關等項目的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13860
日期：2022-06-13
在雜交水稻產業中，雜交制種效率是決定雜交組合能否得到廣泛應用的重要因素。在傳統的雜交水稻系統中，恢復系（R）是花粉供體，雄性不育系（MS）是花粉受體，只有當雙親小花的開花時間相遇時，才能高效地生產雜交種子。但在大多數雜交組合，尤其是秈粳雜交組合中，MS系的平均開花時間通常要晚于R系，這極大地限制了雜交稻制種效率。
該研究團隊通過對宜香1A的對應保持系宜香1B進行EMS誘變，篩選出一個早花突變體emf1，能夠使每日的開花時間提早約2.5小時。該突變體漿片細胞壁中的纖維素和果膠等成分含量顯著降低，漿片細胞壁結構疏松，吸水速率顯著提高，漿片膨大加快從而促使穎花開放時間提前。EMF1編碼一個DUF642蛋白，在水稻不同發育時期不同組織中均有表達，在揚花期的花器官中表達量較高。EMF1蛋白定位于細胞壁，能夠與果膠甲基酯酶（PMEs）和葡聚糖酶（GLN2）互作從而影響漿片細胞壁中果膠和纖維素的合成。EMF1突變影響PMEs和GLN2功能，導致漿片細胞壁的形成受到影響，細胞壁結構變得疏松，吸水性增強，從而提早水稻的開花時間。
為探討EMF1的育種利用，研究團隊將emf1與宜香1A回交獲得宜香1A-emf1，宜香1A-emf1的開花時間比宜香1A提早約2.5小時；同時為了測試EMF1在粳稻中的應用，在中花11中敲除了EMF1，同樣獲得了花時提前了約2小時的中花11突變株系。此外，通過對多樣性水稻種質中EMF1的單倍型分析，發現在第二外顯子存在一個C到T的變異引起了氨基酸的改變，該變異在熱帶粳稻中形成了一種新的單倍型（H6），其開花時間明顯早于粳稻中的主要單倍型（H4）。并且H6等位型在熱帶粳稻中連鎖不平衡衰減速度緩慢，表明其可能在熱帶粳稻的育種過程中受到了人工的選擇。以上研究為水稻每日開花時間調控分子機制解析提供了新思路，同時展現了EMF1基因在雜交水稻不育系培育和制種產量提高中的潛在應用價值。
水稻研究所副教授徐培洲、博士研究生吳挺開和Dr.Asif Ali為論文的共同第一作者，周浩教授和吳先軍教授為論文的共同通訊作者，中國科學院遺傳與發育研究所傅向東研究員和宜賓市農科院江青山研究員參與了此研究。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、四川省科技廳育種攻關等項目的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13860
日期：2022-06-13
