種子休眠性是指種子在適合它生長的條件（溫度、水分和氧氣等）下仍不能萌發(fā)的現(xiàn)象，是多數(shù)高等植物所共有的適應(yīng)性性狀。作物馴化過程更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲及耐受逆境性狀，同時(shí)保證在生產(chǎn)中種子具有一致的萌發(fā)特性，而忽視了對種子適度休眠的保留，導(dǎo)致較多作物如水稻、小麥在生產(chǎn)上大面積遭遇嚴(yán)重的穗發(fā)芽問題，即種子成熟期遇潮濕氣候在收獲前出現(xiàn)穗上籽粒萌發(fā)的現(xiàn)象，造成了在收獲的最后時(shí)刻面臨近乎絕收的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，隨著全球氣候變暖，水稻、小麥等作物在成熟后期頻繁遭遇連陰天氣，穗發(fā)芽災(zāi)害發(fā)生較為普遍。此外，在作物制種后期同樣會(huì)遭遇頻繁的連陰雨天氣，穗發(fā)芽對制種產(chǎn)業(yè)造成損失，且其影響往往延伸到下季播種。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關(guān)鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機(jī)制，挖掘其優(yōu)良等位變異，對解決水稻等作物穗發(fā)芽災(zāi)害至關(guān)重要。

 

　　然而，種子休眠性是頗為復(fù)雜的農(nóng)藝性狀，受到大量數(shù)量性狀位點(diǎn)的調(diào)控，并受到多種環(huán)境因素的顯著影響。種子休眠性關(guān)鍵調(diào)控基因的克隆較為困難，生產(chǎn)上缺乏實(shí)用的主要基因資源。針對這一現(xiàn)狀，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建可穩(wěn)定檢測到休眠控制位點(diǎn)區(qū)域的高密度染色體單片段代換系群體，在強(qiáng)休眠水稻品種Kasalath中克隆到一個(gè)控制水稻種子休眠的關(guān)鍵基因SD6，并證實(shí)了SD6負(fù)調(diào)控水稻種子休眠性。通過篩選SD6互作蛋白，研究發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉(zhuǎn)錄因子ICE2正調(diào)控水稻種子休眠性。

 

　　通過分子生物學(xué)、遺傳學(xué)及生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)，科研團(tuán)隊(duì)揭示了SD6和ICE2均直接靶向脫落酸（ABA）8′-羥化酶基因ABA8ox3啟動(dòng)子上，兩者分別識(shí)別啟動(dòng)子上的G-box基序或E-box基序從而實(shí)現(xiàn)對同一靶基因的反向調(diào)控。SD6和ICE2通過拮抗調(diào)控另一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子OsbHLH048間接地調(diào)控了ABA的關(guān)鍵合成調(diào)控基因即9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶基因NCED2。這揭示了一個(gè)新的激素平衡調(diào)控范式，即拮抗的轉(zhuǎn)錄因子對可通過直接地調(diào)控ABA的代謝，并間接地調(diào)控ABA的合成，從而實(shí)現(xiàn)ABA含量的及時(shí)高效調(diào)控，以切換種子的休眠與萌發(fā)。

 

　　種子休眠性既受遺傳調(diào)控，又可通過種子所處環(huán)境來調(diào)節(jié)。溫度是影響種子休眠和萌發(fā)主要的環(huán)境因子。溫暖環(huán)境通常能加速解除種子休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)，而低溫則使種子維持休眠狀態(tài)。這種感知外界環(huán)境的能力可以使種子度過不利環(huán)境條件，如冬季低溫等。儲(chǔ)成才團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)SD6-ICE2分子模塊具備感知周邊環(huán)境溫度調(diào)控種子休眠性的特征：在常溫條件下，SD6基因維持高水平表達(dá)，發(fā)揮功能，而ICE2基因表達(dá)則受到明顯抑制，促進(jìn)種子萌發(fā)；在低溫條件下，SD6基因表達(dá)則受到明顯抑制，ICE2基因表達(dá)量上調(diào)，使種子維持在休眠狀態(tài)。這表明SD6-ICE2通過感知外界環(huán)境溫度變化此消彼長，動(dòng)態(tài)控制種子中的ABA含量，從而調(diào)控種子休眠強(qiáng)度以適應(yīng)自然氣候更替。這解釋了種子休眠性是如何作為一種適應(yīng)性策略來避免不適宜的條件。

 

　　研究顯示，含有SD6強(qiáng)休眠等位的近等基因系在大田表現(xiàn)出優(yōu)異的穗發(fā)芽抗性，暗示該自然變異位點(diǎn)可用于優(yōu)質(zhì)水稻主栽品種的休眠性常規(guī)育種改良。同時(shí)，通過基因編輯技術(shù)對多個(gè)水稻易穗發(fā)芽主栽品種的SD6基因進(jìn)行改良，該研究證實(shí)在不同水稻品種背景下改良的材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣的情況下，其穗發(fā)芽情況顯著改善。高彩霞團(tuán)隊(duì)對小麥品種科農(nóng)199的TaSD6基因進(jìn)行改良，也可以大幅提高小麥穗發(fā)芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥中控制種子休眠性的功能是保守的，即SD6在水稻和小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中均具有重要應(yīng)用價(jià)值。

 

　　12月5日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表Nature Genetics上（DOI：10.1038/s41588-022-01240-7）。