雜交水稻為提高糧食產量做出了重大貢獻，但其制種產量受限于不育系的低異交率，尤其在秈粳雜交稻制種更為突出。水稻作為自花授粉作物，柱頭外露率是決定異交率的關鍵性狀之一。以往研究多集中于通過調控粒形間接影響柱頭外露，但尚未在田間條件下驗證其增產效果，且常伴隨不利農藝性狀。因此，挖掘直接調控柱頭發(fā)育且不影響其他性狀的關鍵基因，成為提高雜交稻制種產量的迫切需求。

近日，四川農業(yè)大學廖泳祥/周浩/吳先軍團隊在Nature Communications發(fā)表題為Mutation inHER1enhances stigma exsertion and hybrid seed production in rice的研究論文，克隆了調控水稻柱頭外露的關鍵基因HER1，系統(tǒng)闡明了其通過表觀遺傳途徑調控柱頭形態(tài)的分子機制，并成功創(chuàng)制高柱頭外露率不育系，使雜交水稻制種產量提升20%以上，為雜交水稻高產制種提供了重要基因資源和育種新策略。

研究團隊通過EMS誘變，定向篩選獲得柱頭外露率顯著提高的突變體her1，利用MutMap技術快速定位到候選基因HER1。HER1編碼一個SET結構域蛋白，與擬南芥SUVR5同源，特異性識別并結合組蛋白H3K9me，調控H3K9me2水平。在her1突變體中，H3K9me2水平下降，導致下游基因DS2表達上調，進而促進柱頭細胞增殖與伸長，最終使柱頭外露率從36.32%提升至70.63%。

研究進一步通過Cut&Tag、RNA-seq、ChIP-qPCR等多組學手段，證實HER1直接結合于DS2基因區(qū)域，調控其表達水平。DS2編碼一個短鏈脫氫酶/還原酶（SDR），在柱頭中特異性高表達。過表達DS2可模擬her1表型，而敲除DS2則抑制柱頭發(fā)育。這些結果揭示了“HER1–H3K9me2–DS2”分子模塊在調控柱頭發(fā)育中的核心作用。

團隊將her1突變基因導入三系不育系II-32A，創(chuàng)制出高柱頭外露率不育系herA。田間試驗表明，herA的異交率從40.80%提升至50.37%，每666.7 m2制種產量從175.76 kg增至215.08 kg，增幅達22.37%。同時，herA所配雜交組合在農藝性狀上與對照無顯著差異，表明HER1基因在雜交一代中無明顯負效應，具有極高的育種應用價值。

此外，團隊還在蜀6B、148B、桔182S等多個骨干親本中敲除HER1，創(chuàng)制出一系列高柱頭外露率新種質，為雜交水稻規(guī)?；弋a制種提供了材料基礎。

綜上所述，該研究不僅克隆了一個具有重要育種價值的新基因，更首次發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾調控水稻柱頭發(fā)育，為作物性狀的遺傳改良提供了新視角。HER1基因的應用有望顯著降低雜交種子生產成本，推動雜交水稻在更多地區(qū)尤其是發(fā)展中國家的推廣種植。

崖州灣國家實驗室作物抗病團隊郭岱銘博士（畢業(yè)于四川農業(yè)大學水稻研究所）、四川農業(yè)大學杜康兮副教授和徐培洲教授為論文共同第一作者，廖泳祥副教授、周浩教授和吳先軍教授為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金、四川省科技計劃等項目資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69149-x