中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)關(guān)掉一個(gè)基因，大豆產(chǎn)量竟然提升還能站得更穩(wěn)

在育種學(xué)家眼中，大豆是個(gè)"糾結(jié)"的作物。想要多結(jié)莢就得多分枝，但分枝多了株型松散容易倒伏；想要密植提高單位面積產(chǎn)量，植株又會(huì)因?yàn)閾頂D而減產(chǎn)。這種此消彼長(zhǎng)的矛盾長(zhǎng)期困擾著增產(chǎn)育種工作。但中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李紅菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)和崖州灣實(shí)驗(yàn)室楊維才院士團(tuán)隊(duì)的最新研究，用一個(gè)看似違背常識(shí)的方案破解了這道難題：關(guān)掉一個(gè)負(fù)責(zé)降解激素的基因，反而讓大豆產(chǎn)量顯著提升，而且在密植條件下站得更穩(wěn)。

這個(gè)被"關(guān)掉"的基因叫GmCKX3，編碼一種細(xì)胞分裂素氧化酶。它的日常工作是降解細(xì)胞分裂素這種植物激素，從而調(diào)控植株生長(zhǎng)發(fā)育。研究團(tuán)隊(duì)用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)敲除該基因后發(fā)現(xiàn)，突變體大豆的主莖上每節(jié)莢數(shù)和單株總莢數(shù)都顯著增加，單株產(chǎn)量和群體產(chǎn)量大幅提升。更令人驚喜的是，在高密度種植條件下，這種增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步放大，而且植株不倒伏。這項(xiàng)成果12月16日發(fā)表在Plant Communications上。

激素平衡的精妙調(diào)控

為什么關(guān)閉一個(gè)降解激素的基因會(huì)帶來(lái)如此明顯的效果？答案藏在花序組織的激素含量變化中。研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，Gmckx3突變體花分生組織中的順式玉米素核苷含量顯著上升，赤霉素GA1和GA12的含量也明顯增加。這兩類激素協(xié)同作用促進(jìn)了花莢發(fā)育，讓每個(gè)節(jié)位能結(jié)出更多豆莢。

圖：GmCKX3協(xié)調(diào)激素穩(wěn)態(tài)調(diào)控大豆產(chǎn)量

細(xì)胞分裂素氧化酶在作物育種中并非新面孔。早在2005年，日本科學(xué)家就在水稻中發(fā)現(xiàn)，降低細(xì)胞分裂素氧化酶基因OsCKX2的表達(dá)能夠增加每穗粒數(shù)，顯著提高產(chǎn)量。此后，這類基因在小麥、玉米等作物中也被證實(shí)與產(chǎn)量性狀相關(guān)。但大豆作為豆科作物，其產(chǎn)量構(gòu)成要素更為復(fù)雜，各性狀之間相互制約的關(guān)系也更難平衡。

李紅菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)的研究揭示了GmCKX3在大豆中的獨(dú)特作用機(jī)制。他們不僅敲除了GmCKX3，還構(gòu)建了GmCKX7和GmCKX14的敲除突變體。結(jié)果顯示，后兩個(gè)基因的敲除反而會(huì)拮抗Gmckx3突變的增產(chǎn)效應(yīng)，通過(guò)影響分枝數(shù)與株高限制整體產(chǎn)量提升。這說(shuō)明不同CKX家族成員在大豆中扮演著差異化的調(diào)控角色，只有找準(zhǔn)關(guān)鍵靶點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)理想的育種效果。

密植時(shí)代的育種新思路

更值得關(guān)注的是，這項(xiàng)研究為密植增產(chǎn)提供了新的遺傳資源。隨著耕地資源日益緊張，通過(guò)提高種植密度來(lái)增加單位面積產(chǎn)量成為作物育種的重要方向。但密植帶來(lái)的問(wèn)題是植株之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，容易出現(xiàn)倒伏、病蟲(chóng)害增加等問(wèn)題。

Gmckx3突變體在密植條件下表現(xiàn)出的抗倒伏特性尤為難得。傳統(tǒng)育種往往需要在產(chǎn)量和抗倒伏性之間做取舍，而這個(gè)突變體實(shí)現(xiàn)了兩者兼顧。群體遺傳分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，GmCKX3編碼區(qū)存在兩個(gè)單核苷酸非同義自然變異與栽培種產(chǎn)量性狀相關(guān)，其優(yōu)勢(shì)單倍型在育種過(guò)程中已經(jīng)受到選擇。這意味著該基因的自然變異在大豆馴化和改良過(guò)程中就已經(jīng)發(fā)揮作用，只是人們此前并未意識(shí)到其重要性。

更令育種家關(guān)注的是品質(zhì)表現(xiàn)。增產(chǎn)往往伴隨著籽粒品質(zhì)下降，比如油分或蛋白質(zhì)含量降低。但研究顯示，Gmckx3突變體在增產(chǎn)的同時(shí)未降低籽粒油分含量，蛋白質(zhì)含量甚至略有增加。這種產(chǎn)量與品質(zhì)的協(xié)同提升，在作物育種中極為罕見(jiàn)。

從實(shí)驗(yàn)室到田間的距離

基因編輯技術(shù)為作物改良提供了前所未有的精準(zhǔn)工具。與傳統(tǒng)雜交育種相比，基因編輯可以針對(duì)特定基因進(jìn)行定向修飾，避免引入不必要的遺傳背景。但從實(shí)驗(yàn)室成果到大田應(yīng)用，仍需跨越多個(gè)門檻。

首先是材料創(chuàng)制和測(cè)試。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的Gmckx3突變體需要在不同環(huán)境、不同種植密度下進(jìn)行多年多點(diǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證其穩(wěn)定性和適應(yīng)性。論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在讀博士生楊藝琳和團(tuán)隊(duì)成員在吉林農(nóng)科院的支持下完成了大豆測(cè)產(chǎn)工作，為后續(xù)推廣奠定了基礎(chǔ)。

其次是育種應(yīng)用策略。GmCKX3可以作為分子標(biāo)記輔助選擇的靶點(diǎn)，也可以通過(guò)基因編輯技術(shù)直接應(yīng)用于現(xiàn)有優(yōu)良品種的改良。考慮到不同大豆品種的遺傳背景差異，需要針對(duì)性地評(píng)估該基因在不同遺傳背景中的效應(yīng)。

再者是公眾接受度和監(jiān)管政策。雖然基因編輯作物在多個(gè)國(guó)家已獲批商業(yè)化種植，但不同地區(qū)的政策環(huán)境和消費(fèi)者態(tài)度仍存在差異。如何在科學(xué)證據(jù)支撐下推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用，需要科研界、產(chǎn)業(yè)界和監(jiān)管部門的共同努力。

從更宏觀的視角看，這項(xiàng)研究代表了作物育種范式的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)育種依賴表型選擇和經(jīng)驗(yàn)積累，周期長(zhǎng)且效率有限。分子育種時(shí)代，研究者通過(guò)解析關(guān)鍵基因功能，能夠更精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)育種方案。李紅菊和楊維才團(tuán)隊(duì)的工作不僅發(fā)現(xiàn)了GmCKX3這個(gè)重要靶點(diǎn)，更揭示了激素平衡調(diào)控產(chǎn)量的內(nèi)在機(jī)制，為其他豆科作物乃至更廣泛的作物改良提供了理論參考。

當(dāng)全球糧食安全面臨氣候變化、耕地減少等多重挑戰(zhàn)時(shí)，每一個(gè)能夠穩(wěn)定增產(chǎn)的遺傳資源都顯得尤為珍貴。如果Gmckx3突變能夠在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用，即便只提升百分之幾的產(chǎn)量，乘以中國(guó)上億畝的大豆種植面積，增產(chǎn)效果也將相當(dāng)可觀。這或許就是基因編輯技術(shù)最樸實(shí)也最有力的價(jià)值所在。