11月18日，中國水稻研究所優(yōu)質(zhì)稻育種課題組在水稻中胚軸伸長及直播性狀遺傳改良方面取得重要進(jìn)展，在Molecular Plant上發(fā)表題為“Targeted Mutagenesis ofPOLYAMINE OXIDASE 5 that Negatively Regulates MesocotylElongation Enables the Generation of Direct-seeding Rice with Improved GrainYield”的研究文章。報(bào)道了水稻多胺氧化酶家族基因OsPAO5是水稻中胚軸伸長的負(fù)調(diào)控子，通過基因編輯定點(diǎn)突變OsPAO5能夠顯著促進(jìn)直播水稻中胚軸伸長、提高出苗速率，同時(shí)還可以提高粒重等產(chǎn)量性狀。本研究結(jié)果揭示了水稻中胚軸性狀形成的分子機(jī)理，為耐直播水稻品種分子育種提供了重要的理論依據(jù)和基因資源。

 

　　目前，水稻直播特別是機(jī)械覆土直播存在出苗難、出苗不整齊、耐倒伏能力較差等問題。研究表明，水稻中胚軸伸長對幼苗破土出苗具有關(guān)鍵作用，是提供其迅速破土的主要?jiǎng)恿?。因此研究中胚軸在出苗過程中伸長的作用機(jī)理、鑒定控制中胚軸伸長的優(yōu)異基因?qū)τ谕茝V水稻直播技術(shù)具有重要的意義。

　　多胺合成與乙烯生物合成具有共同的底物S-腺苷甲硫氨酸（SAM），多胺氧化酶基因OsPAO5主要氧化精胺（Spm）產(chǎn)生過氧化氫（H2O2），本研究發(fā)現(xiàn)敲除OsPAO5一方面可以減弱H2O2對中胚軸細(xì)胞伸長的抑制作用，另一方面使得乙烯合成途徑基因表達(dá)顯著上升、乙烯前體ACC合成增加，而乙烯能響應(yīng)土壤機(jī)械壓力促進(jìn)水稻中胚軸伸長。本研究發(fā)現(xiàn)在不同的水稻背景下敲除OsPAO5都顯著地促進(jìn)了水稻中胚軸伸長，提高了水稻覆土直播的出苗速率和出苗率，尤其是在較深土壤里。此外，敲除OsPAO5還能顯著增加籽粒大小、提高水稻產(chǎn)量，顯示編輯該基因具有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，研究還發(fā)現(xiàn)該基因啟動(dòng)子區(qū)存在一個(gè)天然的SNP（PAO5-578G/A）變異，該變異位點(diǎn)位于一個(gè)保守的E-box區(qū)域。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)證明含有基因型PAO5-578G的品種普遍具有較低的OsPAO5表達(dá)水平和較長的中胚軸。野生稻和大部分AUS型水稻攜帶PAO5-578G基因型，這與AUS水稻具有較長的中胚軸性狀一致，也暗示中胚軸作為古老的馴化性狀在野生稻到現(xiàn)代栽培稻馴化過程中可能逐漸被丟失。而在親緣關(guān)系上與野生稻更為接近的AUS水稻還保留了長中胚軸的古老性狀。

　　綜上述，該研究通過敲除OsPAO5基因不僅可以促進(jìn)水稻覆土直播出苗，還可以提高水稻產(chǎn)量，顯示出“一石二鳥”的效果，具有重要應(yīng)用價(jià)值。而該基因存在于野生稻、AUS類型水稻以及地方農(nóng)家品種一個(gè)天然變異位點(diǎn)（PAO5-578G）可開發(fā)為分子標(biāo)記應(yīng)用到長中胚軸水稻品種分子育種。

 

　　研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。我所已畢業(yè)博士生呂育松為論文的第一作者，胡培松研究員和魏祥進(jìn)研究員為文章的共同通訊作者。

 

　　論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052（20）30386-5