日本国立研究开发法人农业与食品产业技术综合研究机构（简称，农研机构）农业研究中心大规模水田轮作研究领域的石丸努高级研究员与国际农研生物资源与利用领域的佐佐木和浩首席研究员等人组成的研究团队，于6月12日宣布，与高崎健康福祉大学、吉备国际大学、国际水稻研究所（IRRI，菲律宾）合作，发现了控制水稻开花时间的新基因“EMF3”。研究表明，携带该基因特定单碱基置换的水稻，开花时间比通常约早2小时，与在高温时段开花的常规水稻相比，结实率显著上升。这种避高温性状有望导入全球多数水稻品种，为水稻稳定生产作出贡献。相关研究成果已发表在《Plant Biotechnology Journal》上。
图1 鳞被膨胀引起的水稻开花及EMF3基因在花药中的特异性表达
(a) 鳞被（白色箭头）的膨胀使水稻花朵开放。（供图：农研机构）
(b) 通过可视化基因表达的染色方法，显示EMF3基因在开花当天花药中的特异性表达。蓝色部分为EMF3基因表达区域（黑色框内）。左侧为从颖壳外侧拍摄的照片，右侧为带*标记颖壳内部的照片。(b)中白色箭头指的是鳞被的位置。（供图：吉备国际大学）
水稻相对耐热，但灌浆期遭遇高温会导致白未熟粒增加导致稻米品质和市场价格下降。另一方面，未来气温进一步上升可能导致水稻开花期暴露于高温下，引发不稔——即稻谷无法结实的问题。水稻是全球约半数人口的主食，这一问题被视为全球性课题。
水稻的花朵通过相当于花瓣的鳞被吸水膨胀，使颖壳物理性张开，其中的花药开裂，花粉从内部散落到柱头上完成授粉。开花时若遇高温，花药开裂不良，会导致授粉失败形成不稔。
不同品种的水稻开花时间基本固定在上午10点至正午之间，颖壳从张开到闭合约需1小时，且为“一日花”，花朵仅开放一天。开花期最不耐高温，35℃被视为高温不稔的阈值。已知完成授粉受精后高温的影响相对较小。
研究团队早在2015年利用早花野生稻（Oryza officinalis）进行育种，成功培育出开花时间提早约2小时的水稻品系，并揭示水稻第3染色体上可能存在与早花性状相关的基因，但未能鉴定出具体基因。
因此，本次研究团队旨在鉴定出早花性状的控制基因及其碱基序列变异。
首先，通过比较早花水稻与普通水稻，发现早花水稻在第3染色体上的一个基因中存在单碱基差异，并将该基因命名为EMF3（Early Morning Flowering 3）。早花水稻中，该基因第181位碱基由胞嘧啶（C）置换为胸腺嘧啶（T），相应地，蛋白质第61位氨基酸由亮氨酸（L）变异为苯丙氨酸（F）。
第61位为L的普通水稻在上午10时至正午开花，但缺损该基因功能后，开花时间分散在从早晨至傍晚的较宽时间段内。
进一步对携带EMF3基因相同突变的日本品种“Toyomeki”突变株系开展开花时间调查，发现第563位氨基酸由苏氨酸（T）变异为异亮氨酸（I）的株系也表现出早花特性。
接下来，团队研究了高温条件下早花水稻的结实性。
研究人员在人工气候室中设定高温培养条件：上午6时气温为28℃，此后逐渐上升，正午达到38℃。在此条件下栽培普通水稻和早花水稻并进行比较。
结果表明，普通水稻在高温下结实率显著下降，而早花水稻在气温升至35℃之前已完成开花，因此不稔得到抑制。
研究还确认，世界范围内的水稻品种均不具有早花水稻中第61位和第563位氨基酸突变。研究团队与IRRI合作，将这一突变通过杂交引入东南亚、南亚、西非栽培的各品种后，所有改良品种开花时间均提前1小时以上，表明该性状可应用于世界各地的多种水稻。
为探究这一机制，研究团队检测了EMF3基因的表达器官，确认其在花药和花粉中表达。此前认为鳞被控制开花时间，但研究表明花药可能也发挥重要作用。
石丸高级研究员表示：“今后有望利用这一‘单碱基突变’，在国内外开发高精度DNA标记分子，加速早花水稻品种的培育进程。本研究为科学地阐明通过花药中表达的EMF3基因调控开花时间的完整机制提供了重要线索。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Plant Biotechnology Journal
论文：Rice EMF3 alleles adjust flower opening time to enhance the seed setting rate under high temperature stress
DOI：doi.org/10.1111/pbi.70653
