中国科学家揭示野生稻多年生特性核心基因

北京3月20日电 记者从中国科学院了解到，中国科学院分子植物科学卓越创新中心和全国重点实验室的韩斌院士团队，以及植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）的王佳伟研究员团队，首次在野生稻中发现并克隆出了决定其多年生习性的关键基因EBT1。研究还厘清了该基因座位的表达变化，是水稻驯化过程中由多年生向一年生转变的决定性因素。该项工作3月20日以封面形式发表在国际期刊《科学》杂志。

目前，水稻是世界主要的一年生粮食作物之一。不过，它的祖先普通野生稻，却是一种多年生、匍匐生长的野草。在水稻的驯化历史中，野生稻如何由多年生逐步转变为一年生作物，这个问题一直悬而未解。

研究人员先对446份野生稻材料进行详细表型观测，发现其中有些野生稻与常见的一年生栽培稻不同：它们在种子成熟以后植株不会逐渐枯死，而是在每一个节的腋芽处持续长出新的分枝。这些分枝生长到一定程度后，落地还能自行生根，形成新的植株，呈现出野草特有的生长习性。实际上，这种表现就是开花后的发育顺序发生“逆转”，由生殖期再回到营养期，也叫“成花逆转”，让野生稻展现出强大的无性繁殖和多年生能力。

为了寻找这种多年生性状背后的关键基因，科研团队选取了多年生的东乡野生稻W1943和一年生栽培稻籼稻广陆矮四号进行杂交，建立了染色体替换系，采用正向遗传学策略开展分析。经过精细的定位和图位克隆，最终锁定并克隆了控制该性状的EBT1基因。这一基因实际上由两个串联的小型RNA基因MIR156B和MIR156C组成。

miR156分子被称作植物发育的“时间调节器”，能够控制植物生长发育。按照传统认识，miR156在幼苗期大量表达，随着植物生长逐步减少，促使植物由营养阶段转向生殖阶段。研究团队发现，虽然野生稻的MIR156B和MIR156C也遵循由高到低的表达趋势，但在开花后，这两个基因能在分蘖部位的腋芽中再次激活。重复表达后，腋芽发育“倒退”，恢复生长，源源不断地产生新的分蘖，展现出持续无性繁殖的能力。进一步深入研究显示，这个特异性的激活过程与野生稻EBT1（MIR156B和MIR156C）基因位点的表观修饰存在密切联系。

通过分析野生稻和栽培稻群体的基因组遗传差异，研究人员发现水稻驯化过程中，EBT1基因区域接受了人为选择。换句话说，人类在选育高产、紧凑型水稻的同时，无意中舍弃了野生稻的多年生遗传基础。在进一步实验中，科研团队将EBT1与已知水稻匍匐生长相关的PROG1和TIG1基因聚合，得到具有野生稻“野草型”表型的“类野生稻”新材料。这类植株具备极强的分蘖和无性繁殖能力，在海南的田间试验中能存活超过两年。

这项成果不仅帮助科学界更深入理解植物生活史演化，还为水稻品种培养更具耐久性的多生稻和再生稻提供了重要理论依据及基因资源。