【中科院之聲】科學家破解“無胚水稻”之謎 有望提升精米產(chǎn)量與耐儲性 | 科技前線
胚和胚乳是水稻種子兩個主要組成部分。在稻谷加工成精米的過程中，胚會被動脫落。
無胚水稻因其胚所占的空間被胚乳填充，在提升精米產(chǎn)量和耐儲品質(zhì)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而其形成的遺傳基礎和分子機制未被揭示，限制了其在育種中的應用。
中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等破解了“無胚”水稻形成之謎，對培育兼具高精米產(chǎn)量和耐儲存品質(zhì)的水稻種質(zhì)具有重要作用。
揭示無胚水稻形成機制
研究團隊發(fā)現(xiàn)了水稻無胚性狀的關鍵調(diào)控基因OsBZR4.在不同栽培品種中突變該基因，均可產(chǎn)生60%至100%的無胚種子。在這些無胚種子中，原本由胚占據(jù)的空腔被胚乳組織完全填充。
▲OsBZR4功能缺失突變體產(chǎn)生無胚種子
進一步研究發(fā)現(xiàn)，OsBZR4作為一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，通過同時抑制生長素合成基因與運輸基因表達，來維持胚發(fā)育所需的生長素穩(wěn)態(tài)。
在OsBZR4功能缺失突變體中，這種穩(wěn)態(tài)被打破，導致種子在早期發(fā)育階段中生長素過度積累與分布異常，從而抑制胚的發(fā)育，最終產(chǎn)生無胚種子。
▲OsBZR4功能缺失導致種子中生長素合成和分布異常
溫度調(diào)控無胚表型
OsBZR4功能缺失突變體的無胚表型具有明顯的溫度敏感性。在高溫(32°C)條件下，其無胚率超過90%，而在低溫(22°C)條件下，其無胚率則降至約42%。這一現(xiàn)象暗示，存在一個感受溫度并調(diào)控胚發(fā)育的信號通路。
深入研究顯示，高溫能夠誘導植物光敏色素互作因子(PIF)家族基因OsPIL13的表達，而OsPIL13又能激活生長素合成基因YUC4的表達，從而加劇OsBZR4功能缺失突變體中生長素的過度積累，最終導致產(chǎn)生更高比例的無胚種子。
▲OsBZR4功能缺失突變體的溫度調(diào)控機制
這一發(fā)現(xiàn)首次將溫度信號、OsPIL13、生長素和胚發(fā)育聯(lián)系在一起，構建了一個完整的作用模型。
育種應用潛力顯著
研究團隊將OsBZR4功能缺失等位突變導入優(yōu)質(zhì)粳稻品種“中嘉10”和“中嘉11”。結果顯示，這兩個新品系的農(nóng)藝性狀與野生型相當，而精米率分別提高了2.52%和2.57%。
由于水稻的脂質(zhì)主要儲存在胚中，無胚糙米的脂質(zhì)含量顯著降低。這極大地延緩了水稻在儲存期間因脂質(zhì)氧化酸敗而導致的陳化現(xiàn)象。
加速老化實驗表明，OsBZR4功能缺失突變體的貨架期比普通米延長了約一倍。這種“一石二鳥”的優(yōu)異特性，證明了OsBZR4基因在水稻育種中巨大的應用潛力。
▲OsBZR4功能缺失突變體提高水稻精米率和耐儲性
這項工作不僅填補了水稻無胚性狀分子機制研究領域的空白，更為水稻育種提供了極具價值的基因資源。
利用OsBZR4功能缺失突變體的溫度敏感特性，未來有望開發(fā)出“溫敏無胚”育種系統(tǒng)：在相對低溫條件下產(chǎn)生高比例正常胚種子用于繁殖；而在高溫條件下產(chǎn)生高比例無胚種子用于糧食生產(chǎn)，推動水稻生產(chǎn)技術的革新。
該基因的應用有望協(xié)同提升水稻的精米產(chǎn)量和耐儲性，為保障糧食安全和提升稻米品質(zhì)提供新的有效途徑。
▲OsBZR4調(diào)控水稻胚發(fā)育作用模式圖
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https://doi.org/10.1038/s41467-025-62262-3
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