神户大学研究生院农学研究科的石川亮副教授、石井尊生教授和井上一哉教授组成的研究团队宣布，与国立遗传学研究所、伦敦大学学院（英国）、华威大学（英国）、耶津农业大学（缅甸）和柬埔寨农业部共同确认，可能是在野生稻被驯化为栽培稻的初期阶段发生的三个基因突变使种子不容易脱落的。该成果有助于开发脱粒率低的水稻品种。相关内容已经发布在“Proceeding of the National Academy of Science of the United States of America”6月22日号上。
图1：sh4、qSH3和SPR3三个基因突变的全部组合对水稻收获率的影响调查结果
8株植物的稻穗形状（图上部照片）和农场的种子收获率（图下部）。（供图：神户大学）
栽培稻（Oryza sativa）起源于杂草野生稻（Oryza rufipogon），可能是进行狩猎采集生活的古代人从野生稻中挑选出有利于农耕的个体进行了驯化。
野生稻具有散播种子进行繁殖的种子脱粒性。要想进行种植，需要抑制这种收割前种子就脱落的性质。
2006年有报告显示，水稻的种子脱粒性与sh4基因突变有关。对此，研究团队2016年确认，仅sh4基因突变无法抑制种子脱粒性，还可能与其他基因突变有关。
此次，研究团队为明确在水稻被驯化的初期阶段是如何发生驯化的，探索了与种子脱落性有关的其他基因。
首先，通过使用杂交野生稻和栽培稻获得的分离种群进行遗传分析发现，qSH3基因发生的突变对抑制种子脱粒性来说是必不可少的。这个突变在世界上的大多数栽培稻中都存在。
接下来，研究团队在野生稻中导入sh4基因和qSH3基因的两个突变，发现无法消除种子脱粒性。种子脱粒性是随着稻谷形成离层组织而发挥作用的，但这两个基因突变只能抑制维管束周围一小部分的离层。另外，qSH3基因单独突变也未能抑制离层。
因此，研究团队着眼于野生稻和栽培稻的稻穗形状的差异。野生稻抽穗后稻穗会张开，而栽培稻则是闭合的，这种变化由SPR3基因突变引起。
针对这三个基因，研究团队通过杂交形成了8种突变组合，比较了每种的收获率。
结果显示，每个基因单独突变或者其中两个基因发生突变时，收获率没有明显变化，仅三个基因全部发生突变时收获率才大幅升高。
研究团队对稻穗闭合时的离层抑制进行结构力学分析发现，在闭合的稻穗中，种子基部在重力作用下施加给离层的负荷比稻穗张开时小。
石川副教授表示：“现在的水稻种子更不容易脱落，在植物演化的过程中进一步积累了突变，此次发现的突变应该是在驯化的极早期阶段发生的。这些全部明确的话，还有望明确水稻是以什么路线传入日本的。另外，利用这些基因突变，包括海外在内，还有助于培育出符合需求的品种。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
论文信息
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)
论文：A stepwise route to domesticate rice by controlling seed shattering and panicle shape
DOI：doi.org/10.1073/pnas.2121692119
