3月20日，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌院士團(tuán)隊(duì)與王佳偉研究員團(tuán)隊(duì)的研究成果，以封面形式登上國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。該研究首次克隆了決定野生稻多年生生活習(xí)性的關(guān)鍵基因EBT1，并闡明了該基因座位表達(dá)模式的改變是水稻在馴化過(guò)程中由多年生向一年生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

野生稻為何能多年生，栽培稻卻“一歲一枯榮”？

“春種一粒粟，秋收萬(wàn)顆子”，我們熟悉的栽培稻從播種、生長(zhǎng)、開(kāi)花到結(jié)實(shí)，走完一個(gè)生命周期便會(huì)衰老死亡，每年都需重新播種。但鮮為人知的是，它的祖先是普通野生稻，卻是一種能“長(zhǎng)生不老”的野草狀植物。

為揭開(kāi)這一差異的根源，研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)446份野生稻資源開(kāi)展了系統(tǒng)的表型考查。他們發(fā)現(xiàn)，與一年生栽培稻不同，部分野生稻在種子成熟后并不會(huì)走向衰亡，其節(jié)間腋芽會(huì)持續(xù)萌發(fā)出新的側(cè)枝，這些側(cè)枝不斷延伸、持續(xù)生長(zhǎng)，落地生根，進(jìn)而發(fā)育成新的植株，實(shí)現(xiàn)無(wú)性繁殖。

“這種現(xiàn)象本質(zhì)上是‘成花逆轉(zhuǎn)’，植株在開(kāi)花結(jié)果后，發(fā)育程序發(fā)生逆轉(zhuǎn)，重新回到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，這正是野生稻能夠多年生的核心秘密?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員介紹，這一獨(dú)特習(xí)性讓野生稻得以在自然環(huán)境中持續(xù)繁衍，而栽培稻卻在馴化過(guò)程中失去了這一能力，這也成為學(xué)界長(zhǎng)期以來(lái)的研究盲區(qū)。

發(fā)現(xiàn)水稻多年生生長(zhǎng)基因——EBT1基因

找到?jīng)Q定野生稻多年生習(xí)性的關(guān)鍵基因，成為破解謎題的核心。研究團(tuán)隊(duì)以多年生東鄉(xiāng)野生稻W(wǎng)1943與一年生栽培稻秈稻廣陸矮四號(hào)雜交，構(gòu)建染色體替換系，通過(guò)正向遺傳學(xué)研究和精細(xì)的圖位克隆技術(shù)，最終定位并克隆出這一關(guān)鍵基因，將其命名為EBT1，意為“無(wú)盡的分枝與分蘗”。

MIR156BC的重置介導(dǎo)了水稻從一年生向營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)型多年生的轉(zhuǎn)變。

深入研究發(fā)現(xiàn)，EBT1基因座位由兩個(gè)串聯(lián)排列的微小RNA基因——MIR156B和MIR156C組成。而miR156素有植物“年齡開(kāi)關(guān)”之稱(chēng)，經(jīng)典理論認(rèn)為，它在植物幼苗期高表達(dá)，隨著植株生長(zhǎng)逐漸降低，推動(dòng)植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。

令人意外的是，野生稻的MIR156B和MIR156C基因，在遵循“隨年齡遞減”表達(dá)模式的同時(shí)，會(huì)在開(kāi)花后分蘗節(jié)的腋芽中重新被激活?！斑@種表達(dá)狀態(tài)的‘重置’，讓腋芽重新獲得營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)能力，不斷萌發(fā)新分蘗，從而實(shí)現(xiàn)多年生生長(zhǎng)。”王佳偉解釋?zhuān)@一獨(dú)特的重啟現(xiàn)象，與野生稻EBT1基因座位的表觀修飾狀態(tài)密切相關(guān)。

基因組遺傳變異分析顯示，EBT1基因區(qū)域在水稻馴化過(guò)程中受到人工選擇。這意味著，人類(lèi)祖先在水稻馴化過(guò)程中，主要追求一年生栽培稻能夠快速在地上生長(zhǎng)，并比多年生野生稻產(chǎn)出更多籽粒，不經(jīng)意間“丟棄”了野生稻的長(zhǎng)壽基因，讓水稻從“多年生野草”變成了“一年生作物”。

創(chuàng)制“多年生水稻”成為可能

破解謎題的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)也實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。他們將EBT1基因與已知的兩個(gè)水稻匍匐基因PROG1和TIG1聚合，成功創(chuàng)制出能夠復(fù)現(xiàn)野生稻野草表型的“類(lèi)野生稻”植株。該植株具有強(qiáng)大的無(wú)性繁殖能力，在海南田間環(huán)境中可以存活至少兩年，為多年生水稻培育奠定了基礎(chǔ)。

“如果能在目前一年生栽培稻的基礎(chǔ)上，添加多年生的能力，就有可能在條件適合的地方，實(shí)現(xiàn)水稻播種一次、每年能自行生長(zhǎng)、無(wú)需耕田犁地重復(fù)播種和多季收獲的目的，農(nóng)民將節(jié)省勞力，水土流失也會(huì)減緩。”韓斌院士表示，如此將能大幅節(jié)省播種、耕地等勞動(dòng)投入和生產(chǎn)成本，對(duì)保障糧食安全和推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

合作團(tuán)隊(duì)在討論課題進(jìn)展情況。

據(jù)了解，該成果由分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌院士與王佳偉研究員兩個(gè)團(tuán)隊(duì)深度合作而來(lái)，韓斌團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕于水稻遺傳學(xué)與基因組學(xué)研究，擁有豐富的野生稻資源和強(qiáng)大的正向遺傳學(xué)研究平臺(tái)；王佳偉團(tuán)隊(duì)則在植物發(fā)育生物學(xué)，特別是植物年齡、再生和多年生領(lǐng)域具有深厚的積累。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)打破學(xué)科壁壘，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、共享資源、互通思路，從現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)到基因克隆，再到機(jī)制解析，最終完成了從“定位基因”到“讀懂機(jī)制”的完整科學(xué)過(guò)程。

責(zé)任編輯：劉紅丹