□ 本报记者 叶 真

有的粒型细长，有的短圆，我们吃的大米有着明显的形态特征。在漫长的亚种分化和长期育种选择过程中，是什么导致了水稻籽粒的“高矮胖瘦”？

近日，扬州大学农学院杨泽峰教授团队研究发现了从头起源新基因GSE9在调控水稻籼稻和粳稻亚种间粒型分化中起着重要的作用，并为水稻粒型的遗传改良提供了新的靶基因。相关研究成果在国际著名期刊《自然·通讯》上在线发表。

如何理解从头起源的基因？论文通讯作者杨泽峰解释，从头起源的基因就好比生物界的一种新奇发明，它们在进化过程中“凭空出现”，为物种进化提供新的可能性。近年来，随着基因组学技术的进一步发展，曾经被认为是极其罕见、甚至是不可能事件的“从头起源”，被证实了广泛存在于真核生物中。

“这一结果也在我们此次研究中得到了印证。”杨泽峰表示，团队在水稻9号染色体上找到了一个新基因GSE9，该基因是一个具有转录和蛋白编码能力的基因，仅在几个稻属物种中存在高度同源的DNA序列。同时，该基因的编码序列特征仅在大部分粳稻品种和少数普通野生稻中存在。“我们可以推测新基因GSE9最早可能通过从头起源方式起源于普通野生稻的原非编码区，并在进化过程中被粳稻遗传下来。”

从头起源基因的出现增加了生物体的遗传多样性，可能导致新的功能和适应性产生。为进一步探究GSE9基因是否在水稻进化过程中成为一个具有重要生物学功能的新基因，杨泽峰带领团队成员对新基因GSE9进行了基因序列比对，发现缺乏与其他蛋白相似的序列，也没有已知的结构域。“这也意味着我们无法通过仅比较其序列或结构域来推测出GSE9基因的潜在生物学功能。”杨泽峰表示。

为了得到更直接的功能验证结果，团队对该基因在两个粳稻背景下的CRISPR/Cas9敲除突变体以及过表达株系进行了表型鉴定，发现相比于野生型，敲除GSE9基因导致粒长显著增加、粒宽减小和长宽比增大，而过表达该基因则导致粒长和粒宽均显著增加，表明该基因对水稻粒型具有调控作用，为GSE9基因的生物学功能验证提供了关键性证据。

水稻粒型由颖壳大小决定，而颖壳的生长发育受到细胞数目和细胞大小的共同调控作用。为了进一步解析GSE9基因调控水稻粒型的潜在机制，团队对野生型和转基因株系的幼穗颖壳进行了分析研究。“我们发现，新基因GSE9很可能参与了一种新的遗传调控途径，它通过调控细胞扩张和细胞增殖来协同调控水稻籽粒的形态和大小，从而产生了水稻粒型‘高矮胖瘦’的表现。”论文第一作者陈茹佳表示。

除了基因使然，还有一点不容忽视，那就是人工驯化。籽粒大小是粒重的主要决定因素，直接影响水稻的产量，亚洲栽培稻在其漫长的驯化过程中，因适应不同的农业生态环境而产生了丰富的遗传多样性和明显的遗传分化，籼稻和粳稻的亚种分化便是其中最为重要的一种遗传分化方式。

团队对新发现的从头起源基因GSE9分析后发现，在所鉴定的1697份栽培稻中，GSE9基因在粳稻和籼稻品种中的序列存在显著差异。“这也解释了以往对粒型相关基因的群体进化遗传研究结果，大部分基因在籼稻或粳稻中都具有明显的人工选择现象的原因。”杨泽峰说，人工选择可能促进了GSE9基因在粳稻群体中的进化，并进一步促进了其在籼粳亚种间的分化。

报道链接：http://xh.xhby.net/pc/layout/202310/18/node_16.html#content_1251976

——《新华日报》2023年10月18日 第16版