中國科研團隊關掉一個基因，大豆產量竟然提升還能站得更穩

在育種學家眼中，大豆是個"糾結"的作物。想要多結莢就得多分枝，但分枝多了株型松散容易倒伏；想要密植提高單位面積產量，植株又會因為擁擠而減產。這種此消彼長的矛盾長期困擾著增產育種工作。但中國科學院遺傳與發育生物學研究所李紅菊團隊和崖州灣實驗室楊維才院士團隊的最新研究，用一個看似違背常識的方案破解了這道難題：關掉一個負責降解激素的基因，反而讓大豆產量顯著提升，而且在密植條件下站得更穩。

這個被"關掉"的基因叫GmCKX3，編碼一種細胞分裂素氧化酶。它的日常工作是降解細胞分裂素這種植物激素，從而調控植株生長發育。研究團隊用CRISPR-Cas9基因編輯技術敲除該基因后發現，突變體大豆的主莖上每節莢數和單株總莢數都顯著增加，單株產量和群體產量大幅提升。更令人驚喜的是，在高密度種植條件下，這種增產優勢得到進一步放大，而且植株不倒伏。這項成果12月16日發表在Plant Communications上。

激素平衡的精妙調控

為什么關閉一個降解激素的基因會帶來如此明顯的效果？答案藏在花序組織的激素含量變化中。研究團隊檢測發現，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。這兩類激素協同作用促進了花莢發育，讓每個節位能結出更多豆莢。

圖：GmCKX3協調激素穩態調控大豆產量

細胞分裂素氧化酶在作物育種中并非新面孔。早在2005年，日本科學家就在水稻中發現，降低細胞分裂素氧化酶基因OsCKX2的表達能夠增加每穗粒數，顯著提高產量。此后，這類基因在小麥、玉米等作物中也被證實與產量性狀相關。但大豆作為豆科作物，其產量構成要素更為復雜，各性狀之間相互制約的關系也更難平衡。

李紅菊團隊的研究揭示了GmCKX3在大豆中的獨特作用機制。他們不僅敲除了GmCKX3，還構建了GmCKX7和GmCKX14的敲除突變體。結果顯示，后兩個基因的敲除反而會拮抗Gmckx3突變的增產效應，通過影響分枝數與株高限制整體產量提升。這說明不同CKX家族成員在大豆中扮演著差異化的調控角色，只有找準關鍵靶點才能實現理想的育種效果。

密植時代的育種新思路

更值得關注的是，這項研究為密植增產提供了新的遺傳資源。隨著耕地資源日益緊張，通過提高種植密度來增加單位面積產量成為作物育種的重要方向。但密植帶來的問題是植株之間競爭加劇，容易出現倒伏、病蟲害增加等問題。

Gmckx3突變體在密植條件下表現出的抗倒伏特性尤為難得。傳統育種往往需要在產量和抗倒伏性之間做取舍，而這個突變體實現了兩者兼顧。群體遺傳分析進一步發現，GmCKX3編碼區存在兩個單核苷酸非同義自然變異與栽培種產量性狀相關，其優勢單倍型在育種過程中已經受到選擇。這意味著該基因的自然變異在大豆馴化和改良過程中就已經發揮作用，只是人們此前并未意識到其重要性。

更令育種家關注的是品質表現。增產往往伴隨著籽粒品質下降，比如油分或蛋白質含量降低。但研究顯示，Gmckx3突變體在增產的同時未降低籽粒油分含量，蛋白質含量甚至略有增加。這種產量與品質的協同提升，在作物育種中極為罕見。

從實驗室到田間的距離

基因編輯技術為作物改良提供了前所未有的精準工具。與傳統雜交育種相比，基因編輯可以針對特定基因進行定向修飾，避免引入不必要的遺傳背景。但從實驗室成果到大田應用，仍需跨越多個門檻。

首先是材料創制和測試。研究團隊構建的Gmckx3突變體需要在不同環境、不同種植密度下進行多年多點試驗，驗證其穩定性和適應性。論文第一作者、中國科學院大學在讀博士生楊藝琳和團隊成員在吉林農科院的支持下完成了大豆測產工作，為后續推廣奠定了基礎。

其次是育種應用策略。GmCKX3可以作為分子標記輔助選擇的靶點，也可以通過基因編輯技術直接應用于現有優良品種的改良。考慮到不同大豆品種的遺傳背景差異，需要針對性地評估該基因在不同遺傳背景中的效應。

再者是公眾接受度和監管政策。雖然基因編輯作物在多個國家已獲批商業化種植，但不同地區的政策環境和消費者態度仍存在差異。如何在科學證據支撐下推動技術應用，需要科研界、產業界和監管部門的共同努力。

從更宏觀的視角看，這項研究代表了作物育種范式的轉變。傳統育種依賴表型選擇和經驗積累，周期長且效率有限。分子育種時代，研究者通過解析關鍵基因功能，能夠更精準地設計育種方案。李紅菊和楊維才團隊的工作不僅發現了GmCKX3這個重要靶點，更揭示了激素平衡調控產量的內在機制，為其他豆科作物乃至更廣泛的作物改良提供了理論參考。

當全球糧食安全面臨氣候變化、耕地減少等多重挑戰時，每一個能夠穩定增產的遺傳資源都顯得尤為珍貴。如果Gmckx3突變能夠在生產中大規模應用，即便只提升百分之幾的產量，乘以中國上億畝的大豆種植面積，增產效果也將相當可觀。這或許就是基因編輯技術最樸實也最有力的價值所在。