Advanced Science?|?四川農業大學水稻遺傳團隊揭示水稻EMS誘變效率的遺傳基礎

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峻挑戰，作物育種亟需利用多樣化的種質資源培育高產、穩產且適應性強的優良品種。EMS化學誘變作為創制遺傳變異的經典手段，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'等突破性品種為農業生產帶來革命性變革。然而，EMS誘變效率存在顯著的基因型依賴性，其遺傳機制不明嚴重制約了該技術的精準應用。

近日，四川農業大學水稻研究所周浩/吳先軍團隊在國際著名學術期刊Advanced Science上發表了題為“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份水稻種質資源開展系統分析，首次在全基因組水平解析了EMS誘變效率的遺傳基礎，發現果皮色素基因Rc通過增強種子抗氧化能力，多效性調控EMS耐受性與突變頻率。這一發現不僅揭示了植物響應化學誘變的生理機制，更為建立精準高效的突變育種技術體系提供了理論依據和實踐方案，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現不同水稻品種種子的誘變致死率和后代表現出來的突變體頻率呈現顯著差異。基于此，研究人員首先系統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，發現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?代存活率呈負相關（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）。

為了系統解析EMS誘變效率的遺傳基礎，研究團隊對一個包含420份多樣化水稻種質資源的群體進行了分析（圖1D）。研究量化了兩個關鍵性狀：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小時條件下發現，Aus亞群在突變頻率相關性狀和耐受性相關性狀上均顯著優于其他亞群（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，發現Aus亞群中EMS誘導的全基因組SNP數量顯著高于其它亞群。

圖1. 不同水稻種質資源中 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性狀進行全基因組關聯分析，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聯位點。其中，候選區域中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，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技術在紅米秈稻品種BKZH中創建了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，發現HHZ (Rc)在全基因組范圍內表現出顯著高于HHZ (rc)的EMS誘導突變數量（圖3F-G）。相應地，在M?代，HHZ (Rc) 的可見突變體頻率也顯著高于HHZ (rc)。這些發現證明功能型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，表明其胚細胞活力更高。活性氧水平測量證實，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控因子，研究者提出，Rc通過提升抗氧化能力來減輕EMS誘導的氧化損傷，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，該研究系統揭示了水稻EMS誘變效率的遺傳基礎，鑒定出關鍵基因Rc及其作用機制，不僅為理解植物對化學誘變的響應提供了新見解，也為通過精準選擇親本基因型或利用生物技術手段優化誘變育種策略，從而高效創制水稻新種質提供了重要的理論依據和實踐方案。

四川農業大學水稻研究所/西南作物基因資源發掘與利用國家重點實驗室徐培洲、薛樂和華中農業大學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，四川農業大學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