科學家破解“無胚水稻”之謎 有望提升精米產量與耐儲性_風聞
中科院之声-中国科学院官方账号-08-30 08:43
胚和胚乳是水稻種子兩個主要組成部分。在稻穀加工成精米的過程中,胚會被動脱落。
無胚水稻因其胚所佔的空間被胚乳填充,在提升精米產量和耐儲品質方面展現出巨大潛力。然而其形成的遺傳基礎和分子機制未被揭示,限制了其在育種中的應用。
中國科學院東北地理與農業生態研究所等破解了“無胚”水稻形成之謎,對培育兼具高精米產量和耐儲存品質的水稻種質具有重要作用。
01
揭示無胚水稻形成機制
研究團隊發現了水稻無胚性狀的關鍵調控基因OsBZR4。在不同栽培品種中突變該基因,均可產生60%至100%的無胚種子。在這些無胚種子中,原本由胚佔據的空腔被胚乳組織完全填充。

▲OsBZR4功能缺失突變體產生無胚種子
進一步研究發現,OsBZR4作為一種轉錄抑制因子,通過同時抑制生長素合成基因與運輸基因表達,來維持胚發育所需的生長素穩態。
在OsBZR4功能缺失突變體中,這種穩態被打破,導致種子在早期發育階段中生長素過度積累與分佈異常,從而抑制胚的發育,最終產生無胚種子。

▲OsBZR4功能缺失導致種子中生長素合成和分佈異常
02
温度調控無胚表型
OsBZR4功能缺失突變體的無胚表型具有明顯的温度敏感性。在高温(32°C)條件下,其無胚率超過90%,而在低温(22°C)條件下,其無胚率則降至約42%。這一現象暗示,存在一個感受温度並調控胚發育的信號通路。
深入研究顯示,高温能夠誘導植物光敏色素互作因子(PIF)家族基因OsPIL13的表達,而OsPIL13又能激活生長素合成基因YUC4的表達,從而加劇OsBZR4功能缺失突變體中生長素的過度積累,最終導致產生更高比例的無胚種子。

▲OsBZR4功能缺失突變體的温度調控機制
這一發現首次將温度信號、OsPIL13、生長素和胚發育聯繫在一起,構建了一個完整的作用模型。
03
育種應用潛力顯著
研究團隊將OsBZR4功能缺失等位突變導入優質粳稻品種“中嘉10”和“中嘉11”。結果顯示,這兩個新品系的農藝性狀與野生型相當,而精米率分別提高了2.52%和2.57%。
由於水稻的脂質主要儲存在胚中,無胚糙米的脂質含量顯著降低。這極大地延緩了水稻在儲存期間因脂質氧化酸敗而導致的陳化現象。
加速老化實驗表明,OsBZR4功能缺失突變體的貨架期比普通米延長了約一倍。這種“一石二鳥”的優異特性,證明了OsBZR4基因在水稻育種中巨大的應用潛力。

▲OsBZR4功能缺失突變體提高水稻精米率和耐儲性
這項工作不僅填補了水稻無胚性狀分子機制研究領域的空白,更為水稻育種提供了極具價值的基因資源。
利用OsBZR4功能缺失突變體的温度敏感特性,未來有望開發出“温敏無胚”育種系統:在相對低温條件下產生高比例正常胚種子用於繁殖;而在高温條件下產生高比例無胚種子用於糧食生產,推動水稻生產技術的革新。
該基因的應用有望協同提升水稻的精米產量和耐儲性,為保障糧食安全和提升稻米品質提供新的有效途徑。

▲OsBZR4調控水稻胚發育作用模式圖
論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62262-3
來源:中國科學院東北地理與農業生態研究所