让大米增重长胖 川农大为米粒打造了“高产外套”

本文转自：封面新闻

封面新闻记者 谭羽清 部分图片由被访者提供

水稻是全国人民生活中最重要的粮食作物之一，有超过60%的人以它的产物大米为主食。“如何培育出产量更高、品质更好的水稻？”一直是农业科学家们不断思考探索的问题。

在2月15日“科创中国·天府科技云服务大会”开幕式上发布的“待转化十大重大科技成果”之一——“一种水稻粒型相关蛋白GIF1及其编码基因与应用”则又给出了一个新的解决思路。据悉，此项研究成果由四川农业大学水稻研究所李双成、李平团队研发取得，转化落地后有望使水稻的千粒重增加20%，让人们吃上更“胖”的米粒。

近日，封面新闻专访四川农业大学水稻研究所生物技术团队主任、西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室研究人员李双成教授，探索“大米增重”成果背后的秘密。

想让大米“长胖”？

得给它准备一件宽敞外套

能让“大米增重”的分子模块是这项成果的核心。相关研究论文显示，该成果证明了OsmiR396c-GLW2-OsGIF1分子模块调控水稻粒型和粒重，该模块的导入可使水稻的千粒重增加20%，从而提高水稻产量。但是此分子模块让米粒“长胖”的原理是什么呢？

GLW2基因提高了杂交水稻产量，有NIL后缀的为含GLW2基因的杂交稻（NIL即近等基因系）

简而言之，就是在米粒“出生时”给它准备一件“宽敞的外套”。

采访中李双成告诉记者，目前的研究普遍认为，在光合足够的情况下，水稻种子营养物质的产生和积累是足够的，但如果“库容”不够，米粒也无法长得更大。

稻谷的结构（图片来源于网络）

“库容”即是颖壳（稻壳）的容量，对壳中糙米大小的影响非常大，“如果水稻最初形成的颖壳小了，里面灌浆再充分、作物产生的淀粉再多，最终形成的米粒最多就是饱满一点，很难增大。”

而他们发现的分子模块主要通过调控细胞的扩张和增殖，在水稻籽粒发育的早期将颖壳扩大，解决“库容”问题，“当颖壳足够宽敞的情况下，只要作物的光合作用没有受阻，理论上它的籽粒就会变大。”

OsmiR396c-GLW2-OsGIF1模块通过调控细胞扩张调控籽粒大小，图为GLW2基因作用情况

有趣的是，后来该分子模块的核心组分还被其他研究证实是一个“氮高效”基因，“它不但可以促使颖壳长大，实际上也提高了水稻的氮素吸收和同化转运过程。”李双成表示这是一个令人兴奋的新发现，它意味着这个分子模块在提高产量的同时，还有助于肥料的节省，利于环境保护。

研发历程：

8年攻关 确定目标分子模块

“影响水稻产量的因子有很多，包括千粒重、穗粒数、结实率等，2020年前，我国对水稻产量的剖析已有较大进展，其中进展最好的一个领域就是千粒重基因相关研究。”据李双成介绍，决定粒重性状的相关基因受环境影响小、遗传效应大，这也是他们团队选择从它入手的原因。

在定下方向后，从最开始的在种质资源库里筛选材料，到分子模块模型建立，再到评估该模型价值，研究团队进行了约8年的努力。这个过程中，他们很幸运地找到了千粒重达到60克，重量为平常稻谷1倍多的水稻材料作为基因供体，但也遇到过重重困难。李双成认为其中最具挑战性的就是将目标基因克隆出来，以及系统地证明它的功能。

“我们在构建遗传群体、连续回交方面花了大概四五年时间。”他表示，由于水稻的千粒重是由众多基因共同决定的，为了探究究竟是哪些基因真正起到了提高粒重的作用，团队需要通过杂交、持续回交的方式“过滤”无关基因，并建立近等基因系来进行研究观察。这样的实验非常耗时，但在当时的技术条件下，也只有这样才能保证最后分离出准确的目标基因。

GLW2基因在不同背景下提高了水稻产量，有NIL 前缀的为有GLW2基因的水稻（NIL即近等基因系）

而在拿到目标基因后，团队还需要通过遗传转化，即转基因的方式，证明该基因可以发挥作用，“比方说把这个基因转到小粒水稻品种里面去，看其最后的稻米会不会变大，或者将大粒水稻品种中的该基因‘沉默’，看它结出的稻米会不会变小。”但由于当时采用的籼稻大粒材料遗传转化效率极低，团队不得不将该基因导入其他易于转化的籼稻背景，同时借助了部分粳稻材料，这一步也耗费了大量时间。

GLW2基因在不同背景下提高了水稻产量，有NIL前缀的为有GLW2基因的水稻（NIL即近等基因系）

不过李双成也提到，随着科技水平的进步，以前的这些难题在现在已变得不那么难解。比如基因组学、代谢组学等组学技术的飞速发展，寻找某些性状的基因已经不完全依赖于像从前那样耗费大量精力建立细致的近等基因系，“现在的测序技术可以快速地测出一组水稻的全部基因组，再通过大数据的方式将它与目标性状关联，即可以让计算机帮我们找出和目标性状相关的基因变化，从而拿到需要的基因序列。”

分子模块设计育种：

像搭乐高一样改良作物

采访中记者了解到，“一种水稻粒型相关蛋白GIF1及其编码基因与应用”这项成果属分子模块设计育种技术领域，这类技术始于分子设计育种理念，相比传统育种技术，大大提高了育种的精确度和效率。

目前分子模块设计育种技术主要运用于水稻育种领域，并逐步在小麦、玉米、鲤鱼等农产品的育种改良中开展。早在多年前，中国科学院就启动了“分子模块设计育种创新体系”战略性先导科技专项。

那么分子模块设计育种的主要特征是什么？李双成把它比喻成用“搭乐高积木”的方式改良作物，“比如我们知道一个能决定水稻高产性状的分子模块，如果哪个品种缺少这一模块，我们就可以直接把这个模块导入该品种，相当于把一块新的积木累加到这个品种原有的‘乐高基因塔上’。”

听上去很简单，但拿什么“积木”、搭哪座“塔”、如何实现“有效搭建”等都藏着大学问。

据李双成介绍，比如在了解“积木”用途，即解析分子模块，了解决定产量、品质、抗病等性状的功能模块方面，学界已有多年的研究历史，虽然目前已有大量的相关基因被“解密”，但是实际用于育种的分子模块，还是相对较少的。

而当不同的“积木”搭在同一座塔上时，它们可能还会互相影响，让对方成为“无效积木”，“比方说决定产量和品质性状的一些分子模块，有些模块放进去是有矛盾的，会有负面影响。所以说我们对多个模块之间的耦合研究是非常重要的，你要去证实哪些模块放到一起是比较好的，哪些模块放到一起它会起反作用。”

为了高效地验证分子模块的相互影响，业界正在开展分子模块设计育种相关的计算机模拟技术，“现在我们把已解析的分子模块的功能和信息输进计算机，它就能高效模拟出这些模块的理论耦合效果。虽然最后我们还是得通过传统手段去验证这些预测的有效性，但这无疑有助于加快研究的进程。”