水稻是世界重要的糧食作物之一，中國水稻播種面積占全國糧食作物的1/4。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水稻增產(chǎn)的重要措施之一是大量施用氮肥，但施用過多不僅增加種植成本，而且污染環(huán)境。因此，克隆氮高效利用的基因、提高水稻氮肥吸收利用效率是降低水稻生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、穩(wěn)定提高水稻產(chǎn)量的一種有效途經(jīng)。

水稻的基因體是高等生物中基因定序最完整的，科學(xué)家辨識出的37500個基因中包含了數(shù)個影響重要農(nóng)產(chǎn)未來的基因。遺傳改良或基因工程是提高作物產(chǎn)量的有效手段之一。因此，尋找與高產(chǎn)相關(guān)的功能基因?qū)τ谒靖弋a(chǎn)育種具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

DEP1基因位點是一個控制水稻產(chǎn)量性狀的主效QTL（數(shù)量性狀基因），并影響著水稻氮利用效率，該位點上的顯性等位基因是一個功能性獲得性突變，它能引起稻穗變短、直立、著粒密集，以及氮不敏感型營養(yǎng)生長。dep1基因能通過增加種子數(shù)量實現(xiàn)增產(chǎn)，對我國高產(chǎn)水稻育種貢獻巨大，但其品質(zhì)一般。優(yōu)質(zhì)水稻一般色澤透亮、形狀細長，用專業(yè)詞匯表述就是堊白面積少，堊白粒率低，長寬比大（如泰國香米，長寬比在3.2∶1左右）。

水稻產(chǎn)量由分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重等多種農(nóng)藝性狀決定，其增產(chǎn)研究也是涉及多個基因和環(huán)境綜合作用的復(fù)雜問題，目前對水稻產(chǎn)量形成的分子基礎(chǔ)的認識還非常有限，而且研究難度很大。因此，在既不改變高產(chǎn)的優(yōu)良性狀，又可以降低堊白、增加長寬比的條件下提高水稻品質(zhì)是目前研究的重點。

近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究組在水稻優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)性狀協(xié)同改良的研究中取得重要進展，厘清了植物細胞G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控種子大小作用的全新分子機制，為水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)分子設(shè)計育種直接提供了具有重要應(yīng)用價值的新基因。如果將其應(yīng)用到新品種水稻的培育中，將有望提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。該研究項目得到了國家自然基金委和中國科學(xué)院分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系先導(dǎo)科技專項資助。

研究人員從長粒型美國粳稻品種L204中成功分離并克隆了一個控制稻米產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同提升的重要基因LGY3，該基因編碼一個MIKC型MADS-box家族蛋白OsMADS1。這個基因的突變可以讓稻米變得更為細長，減少堊白率和堊白面積，提高稻米在外觀、口感等多方面的品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，OsMADS1轉(zhuǎn)錄因子可以直接與G蛋白γ亞基DEP1和GS3蛋白互作，共同調(diào)控下游靶基因的表達，最終實現(xiàn)水稻產(chǎn)量與品質(zhì)協(xié)同提高。該項研究揭示了G蛋白通過與MADS轉(zhuǎn)錄因子互作的全新分子調(diào)控機制，同時為深入研究G蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的分子基礎(chǔ)提供了新的切入點。

然而，在我國大面積種植的高產(chǎn)水稻品種中并不含有這種基因的變異類型，因此該課題組在進一步篩選并鑒定出具有育種利用價值的一個優(yōu)異等位變異類型lgy3后，將其引入高產(chǎn)雜交水稻中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻米品質(zhì)不僅顯著提升，而且產(chǎn)量也增加了7%以上。這說明lgy3基因可以將水稻優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)這兩個優(yōu)異性狀有效結(jié)合。

綜上所述，優(yōu)異等位基因lgy3的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用有望解決水稻高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)之間的矛盾，未來可用于“超級稻”新品種培育并推廣，讓更多稻米既好吃又高產(chǎn)，助力農(nóng)民增收致富。