中国农业科学院生物所发现水稻株型改良关键基因SD8

中国农业农业科学院生物技术研究所谷晓峰课题组和合作者在Plant Communications在线发表了题为Genome-edited ATP BINDING CASSETTE B1 transporter SD8 knockouts have optimized rice architecture without yield penalty 的研究论文，报道了利用基因编辑水稻生长素运输基因SD8改良水稻株型而不影响产量性状的研究，为利用单个基因提高水稻密植条件下的产量提供了新策略。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100347

植物株型是是影响作物产量的主要因素。通过植物株型的改良，如植株高度、茎枝（分蘖）数和穗粒数的适当改良，可以显著提高作物产量。上世纪60年代，以作物矮化育种为标志的“绿色革命”主要是利用赤霉素合成基因SD1的突变体，倒伏减少和收获指数增加，产量得到大幅度提升。另一方面，作物直立型叶片可以增强冠层结构中的光吸收、光合效率、通风和抗逆性，从而实现耐密高产。因而，矮化和叶片直立的理想株型一直是几十年来的育种目标。目前，水稻仍然需要发掘协同控制矮化和叶片直立的关键基因，作为株型改良的靶标。

本研究通过全基因组关联分析（genome-wide association study, GWAS）分析，在水稻中鉴定到与株高相关的拟南芥生长素运输载体ABCB1同源基因SD8，使用CRISPR-Cas9技术在日本晴（NIP）背景下创制了SD8基因编辑突变体sd8-1和 sd8-2。sd8-1和 sd8-2株高显著降低，旗叶夹角变小，植株更加直立，且单株产量没有受到影响。田间试验结果表明sd8-1敲除株系在密植条件具有显著的增产效应（约增加10%），相比正常种植密度条件下sd8-1产量与NIP相比没有显著差异。

在植物中，已知同源蛋白ABCB1介导吲哚-3-乙酸（IAA）的流出并调节生长素极性运输。通过气相色谱-质谱 (GC-MS)测定NIP和sd8-1中内源IAA含量，发现sd8-1和sd8-2的 IAA含量显著低于NIP。并且使用非损伤微测技术（NMT）测量了NIP和sd8-1幼苗中的IAA运输速率，发现sd8-1中的IAA流出和流入电流显着低于NIP。进一步在酵母系统中验证发现，SD8 促进了敏感酵母菌株yap1-1积累IAA，从而抑制了IAA诱导性的生长。以上结果表明，SD8 功能丧失影响了IAA运输速率并介导生长素的极性运输。

为了验证SD在不同背景的籼稻和粳稻品种的功能，在籼稻（农香32（NX）、野香B(YX)、玉针香(YZX)及9311）和梗稻（金梗818（JG）、龙梗31（LG））背景分别创制了SD8基因编辑敲除突变体，不同敲除背景下SD8敲除突变体都呈现株高显著降低同时旗叶夹角变小，进一步测定不同敲除背景下野生型和SD8敲除突变体中内源生长素含量，发现相比野生型，SD8敲除突变体中IAA 含量显著降低，进一步验证在其他籼梗稻背景中SD8具有相似的生物学功能。

与现代籼粳品种中的SD1 突变相似，基因组编辑SD8在降低水稻品种株高具有相似潜力,同时还可以减少旗叶角度而不会造成产量损失，在密植条件可进一步增加产，为水稻耐密植提供了新策略。因此使用基因组编辑技术应用于SD8能够开发出具有优良株型且不会影响产量的水稻新种质，具有应用于水稻直播种植的潜力。

生物所博士生曲瑞红、已毕业博士张平贤及刘青为该论文共同第一作者，生物所谷晓峰研究员、杨立文副研究员及天津市农科院闫双勇副研究员为共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、中央级公益性科研机构基本科研业务费等项目资助。

转自：植物科学最前沿

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