面對氣候變化、資源短缺和人口增長對全球糧食安全帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，作物育種亟需利用多樣化的種質(zhì)資源培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)且適應(yīng)性強的優(yōu)良品種。EMS化學(xué)誘變作為創(chuàng)制遺傳變異的經(jīng)典手段，已在242個物種中育成3400余個突變品種，其中半矮稈水稻'Calrose 76'等突破性品種為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來革命性變革。然而，EMS誘變效率存在顯著的基因型依賴性，其遺傳機制不明嚴(yán)重制約了該技術(shù)的精準(zhǔn)應(yīng)用。

近日，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所周浩/吳先軍團隊在國際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science上發(fā)表了題為“Genome-Wide Association Analyses Reveal the Genetic Basis of EMS Mutagenesis Efficiency in Rice”的研究論文。該研究通過對420份水稻種質(zhì)資源開展系統(tǒng)分析，首次在全基因組水平解析了EMS誘變效率的遺傳基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)果皮色素基因Rc通過增強種子抗氧化能力，多效性調(diào)控EMS耐受性與突變頻率。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了植物響應(yīng)化學(xué)誘變的生理機制，更為建立精準(zhǔn)高效的突變育種技術(shù)體系提供了理論依據(jù)和實踐方案，對加速水稻遺傳改良進程具有重要意義。

作者在前期研究中發(fā)現(xiàn)不同水稻品種種子的誘變致死率和后代表現(xiàn)出來的突變體頻率呈現(xiàn)顯著差異?；诖?，研究人員首先系統(tǒng)評估了兩個水稻品種在不同EMS濃度和處理時間下的誘變效率，發(fā)現(xiàn)M?代植株存活率隨EMS濃度和處理時間增加而急劇下降，而M?代白化苗頻率與M?代存活率呈負(fù)相關(guān)（圖1A，B）。在所有處理條件下，秈稻品種YHJZ均比粳稻品種K9553表現(xiàn)出更高的M?代存活率和M?代白化苗頻率，表明YHJZ具有更高的EMS誘變效率（圖1C）。

為了系統(tǒng)解析EMS誘變效率的遺傳基礎(chǔ)，研究團隊對一個包含420份多樣化水稻種質(zhì)資源的群體進行了分析（圖1D）。研究量化了兩個關(guān)鍵性狀：EMS耐受性（以EMS處理前后存活率的降低程度衡量，降低幅度越小耐受性越高）和突變頻率（以M?代幼苗中表現(xiàn)出白化、類病斑或葉尖壞死等突變表型的比例衡量）。在0.6% EMS處理20小時條件下發(fā)現(xiàn)，Aus亞群在突變頻率相關(guān)性狀和耐受性相關(guān)性狀上均顯著優(yōu)于其他亞群（IndI, IndII, TeJ, TrJ），表明Aus亞群在所考察的水稻群體中具有最高的EMS誘變效率。同時通過對來自五個水稻亞群的M?代幼苗進行全基因組測序，發(fā)現(xiàn)Aus亞群中EMS誘導(dǎo)的全基因組SNP數(shù)量顯著高于其它亞群。

圖1. 不同水稻種質(zhì)資源中 EMS 誘變耐受性與突變頻率的表型特征分析

通過對420份水稻材料的耐受性和突變頻率相關(guān)性狀進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，研究未在突變頻率性狀上鑒定到顯著位點，但在耐受性性狀上鑒定到多個顯著關(guān)聯(lián)位點。其中，候選區(qū)域中LOC_Os07g11020 (Rc) 因其已知功能（控制果皮色素沉積和種子休眠，而種子休眠與存活率相關(guān)，且Rc促進具有抗氧化活性的原花青素積累）成為強候選基因（圖2A）。為了遺傳驗證Rc在EMS耐受性中的作用，研究團隊利用CRISPR/Cas9技術(shù)在紅米秈稻品種BKZH中創(chuàng)建了Rc敲除系（圖2G-I）。EMS處理后，兩個敲除系的幼苗存活率均顯著低于野生型BKZH，證實Rc在增強EMS耐受性中起關(guān)鍵作用。

圖2. Rc基因的自然變異影響水稻種子對EMS的耐受性

同時研究團隊構(gòu)建了以黃華占（HHZ）為背景的Rc近等基因系（圖3A）。EMS處理后，HHZ (Rc)的種子存活率顯著高于HHZ (rc) （圖3B-E）。單倍型分析顯示，超過91%的Aus亞群材料攜帶功能型Rc等位基因，這與Aus水稻優(yōu)異的EMS耐受性和高誘變頻率一致（圖2E）。為了檢驗Rc是否直接影響誘變頻率，研究者對M?代植株進行了全基因組測序，發(fā)現(xiàn)HHZ (Rc)在全基因組范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著高于HHZ (rc)的EMS誘導(dǎo)突變數(shù)量（圖3F-G）。相應(yīng)地，在M?代，HHZ (Rc) 的可見突變體頻率也顯著高于HHZ (rc)。這些發(fā)現(xiàn)證明功能型Rc等位基因不僅能提高EMS耐受性，還能增加水稻的誘變效率。

為了探究Rc增強EMS耐受性的機制，研究人員檢測了EMS處理后胚中超氧化物的積累情況（圖3H-K）。Rc種子的胚NBT染色較淺，表明其胚細(xì)胞活力更高?；钚匝跛綔y量證實，rc種子積累的H?O?和其他ROS水平顯著高于Rc種子。對抗氧化酶活性的評估顯示，Rc種子中的CAT、SOD和POD活性均顯著高于rc種子。鑒于Rc是水稻果皮中原花青素生物合成的主要調(diào)控因子，研究者提出，Rc通過提升抗氧化能力來減輕EMS誘導(dǎo)的氧化損傷，從而增強EMS耐受性和誘變效率。

圖3. Rc基因通過提升水稻種子抗氧化能力增強EMS誘變效率

綜上，該研究系統(tǒng)揭示了水稻EMS誘變效率的遺傳基礎(chǔ)，鑒定出關(guān)鍵基因Rc及其作用機制，不僅為理解植物對化學(xué)誘變的響應(yīng)提供了新見解，也為通過精準(zhǔn)選擇親本基因型或利用生物技術(shù)手段優(yōu)化誘變育種策略，從而高效創(chuàng)制水稻新種質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)和實踐方案。

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所/西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室徐培洲、薛樂和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室張慶路為論文共同第一作者，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)吳先軍教授和周浩教授為論文共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、四川省科技計劃等項目的資助。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202517647