北京時間2023年7月27日22時許，《自然-遺傳學》雜志在線發表了華中農業大學邢永忠教授課題組（水稻產量生物學實驗室）的研究論文“Suppressing a phosphohydrolase of cytokinin nucleotide enhances grain yield in rice”。該研究挖掘到一個水稻的重要增產基因GY3，該基因通過調控細胞分裂素的合成，可顯著增加水稻每穗粒數，將小區產量提高7%~15%，為水稻高產育種提供了重要的基因資源。 　　水稻是世界上三大糧食作物之一，其種植面積超過24億畝，產量超過7.5億噸。2020年，我國水稻種植面積4.5億畝，產量超過2.1億噸。培育高產優質的水稻品種，不僅是科學研究領域的重要課題，也是我國糧食安全的重要保障。 　　我國種植的亞洲栽培稻（Oryza sativa）包括兩個亞種，秈稻和粳稻，在漫長的亞種分化和長期的育種選擇過程中，粳稻（短圓形）和秈稻（細長形）不僅在稻米外形特征表現出巨大的差異，而且在基因組水平也有很大不同。 　　針對水稻秈粳亞種間產量形成的機制異同問題，邢永忠教授課題組博士后吳比等開展了近12年的研究，發現了一種新的細胞分裂素合成途徑，解析了水稻增產重要基因GY3的調控機制，對水稻遺傳改良具有重要的意義。 　　團隊利用秈稻品種特青和粳稻品種02428構建的高級遺傳群體克隆了產量基因GY3，發現粳稻來源的GY3為優良等位基因，具有增產效應。團隊在粳稻GY3啟動子區域鑒定到一個反轉座子插入，該反轉座子的插入增強了GY3啟動子區域的表觀修飾，降低GY3表達量，從而增加每穗粒數和谷物產量。通過體內體外實驗，進一步證明了GY3參與了細胞分裂素的“兩步法”合成，敲除或者抑制GY3的表達，可減少細胞分裂素合成前體底物的無效消耗，提高體內活性細胞分裂素含量，從而增加水稻產量。通過對GY3啟動子區域序列分析，研究發現，大部分粳稻（98%）和少部分秈稻（21%）攜帶優良GY3等位基因，而當前推廣的秈稻品種絕大多數不具有GY3增產等位基因，這也表明，GY3在秈稻育種中還沒有被育種家利用。團隊將GY3優良等位基因導入93-11等4個秈稻恢復系后，發現改良的恢復系小區產量提高9.1%~16.3%。利用這些改良恢復系配制的雜交種，也比原始雜種小區產量提高7.4%~15.4%。這些結果表明，GY3可作為秈稻高產育種的重要基因，有望推動秈稻品種產量的大幅度提升。 　　華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室已出站博士后吳比博士為該論文第一作者，邢永忠教授為通訊作者。張啟發教授、殷平教授、李興旺教授、謝為博教授、鄢文豪教授、王磊教授、李香花研究員和肖景華副教授參與了研究的指導工作。相關工作得到國家自然科學基金、國家現代農業產業技術體系和作物遺傳改良全國重點實驗室自主研究等項目的資助。 　　【英文摘要】One-step and two-step pathways are proposed to synthesize cytokinin in plants. The one-step pathway is mediated by LonELY GUY （LOG） proteins. However, the enzyme for the two-step pathway remains to be identified. Here, we show that quantitative trait locus GY3 may boost grain yield by more than 20% through manipulating a two-step pathway. Locus GY3 encodes a LOG protein that acts as a 5′-ribonucleotide phosphohydrolase by excessively consuming the cytokinin precursors, which contrasts with the activity of canonical LOG members as phosphoribohydrolases in a one-step pathway. The residue S41 of GY3 is crucial for the dephosphorylation of iPRMP to produce iPR. A solo-LTR insertion within the promoter of GY3 suppressed its expression and resulted in a higher content of active cytokinins in young panicles. Introgression of GY302428 increased grain yield per plot by 7.4% to 16.3% in all investigated indica backgrounds, which demonstrates the great value of GY302428 in indica rice production. 　　論文鏈接 　　https://www.nature.com/articles/s41588-023-01454-3