經(jīng)過研究攻關，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所儲成才團隊和高彩霞團隊日前找到了調(diào)控水稻、小麥穗發(fā)芽問題的兩個“開關”，包括負調(diào)控種子休眠的關鍵基因SD6和正調(diào)控種子休眠的基因ICE2。研究者認為兩個基因“雙劍合璧”，有望為因種子穗發(fā)芽導致的大規(guī)模農(nóng)業(yè)損失提供解決方法。該成果12月6日在線發(fā)表于《自然—遺傳學》雜志。

作物馴化過程中由于更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲及耐受逆境性狀，常常忽視了對種子適度休眠的保留，從而導致很多作物如水稻、小麥會發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象（種子收獲前成熟期如遇連陰雨不能及時收獲，常出現(xiàn)部分籽粒在穗上發(fā)芽的現(xiàn)象），嚴重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至影響下季播種。因此，找到水稻、小麥等控制種子休眠的關鍵基因，闡明種子休眠調(diào)控的分子生理機制，挖掘其優(yōu)良等位變異，對解決水稻等作物穗發(fā)芽災害至關重要。

中國科學院遺傳發(fā)育所科研團隊通過利用強休眠的水稻品種卡薩拉斯和弱休眠水稻品種日本晴構(gòu)建染色體單片段代換系，成功地從強休眠水稻品種中克隆到一個控制水稻種子休眠的關鍵基因SD6，并證實了SD6負調(diào)控水稻種子休眠。通過篩選SD6互作蛋白，研究團隊發(fā)現(xiàn)了另一水稻轉(zhuǎn)錄因子ICE2，且ICE2正調(diào)控種子休眠。

研究團隊發(fā)現(xiàn)SD6/ICE2分子模塊是能夠感知周邊環(huán)境溫度的種子休眠調(diào)控因子：在常溫條件下，SD6基因表達維持高水平，發(fā)揮其功能，而ICE2基因功能則受到明顯抑制，從而促進種子萌發(fā)；在低溫條件下，SD6基因功能則受到明顯抑制，ICE2基因表達量上調(diào)，進而發(fā)揮功能，從而使種子維持在休眠狀態(tài)。即通過感知外界環(huán)境溫度變化，SD6/ICE2此消彼長，進一步控制種子中植物激素脫落酸含量，從而調(diào)控種子休眠強度，確保其適應自然季節(jié)更替，繁衍成功。

研究團隊通過基因編輯技術對水稻易穗發(fā)芽品種天隆619、武運粳27號以及淮稻5號中的SD6基因進行改良，發(fā)現(xiàn)改良的水稻材料在收獲期遭遇連綿陰雨天氣，其穗發(fā)芽情況顯著改善。研究團隊對小麥品種科農(nóng)199的TaSD6基因進行改良，也可以大大提高小麥穗發(fā)芽抗性，表明SD6基因在水稻和小麥控制種子休眠的功能是保守的。這些研究成果都表明，SD6在水稻、小麥穗發(fā)芽抗性育種改良中具有重要應用價值。