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为探究水稻种子脱落机制，中国科学院相关研究人员开展了关于 SHATTERING ABORTION3（SHAT3）基因的研究。结果发现 SHAT3 通过促进脱落区（AZ）分离调控种子脱落，且与茉莉酸（JA）积累有关。该研究为水稻育种提供了新理论依据。
在农作物的世界里，水稻可是个 “明星选手”，养活了全球大量人口。在水稻的生长过程中，种子脱落是一个重要的现象。野生水稻种子容易脱落，这便于它们传播后代，但对于人类种植来说，这可不是个好现象，会导致收获时大量种子丢失，影响产量。之前，虽然已经发现了不少调控水稻种子脱落的因素，像 SH4、qSH1 等，它们都参与了脱落区（AZ，由几层等径扁平薄壁细胞构成，是脱落器官与母体分离的部位）的发育，可在细胞层面，水稻脱落究竟是怎么发生的，又是什么促使脱落区分离的，这些问题一直是个谜。为了解开这个谜团，中国科学院国家基因研究中心、分子植物科学卓越创新中心以及植物生理生态研究所等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Plant Communications》上。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是利用
60Coγ射线诱变野生稻染色体片段代换系 SL4，筛选突变体；接着通过图位克隆和全基因组测序确定突变基因；还使用了定量聚合酶链式反应（qPCR）检测基因表达水平；借助 CRISPR-Cas9 技术构建功能缺失突变体；利用转录组分析探究基因调控网络；采用微尺度热泳（MST）实验研究蛋白与激素的结合情况 。
研究结果如下：
- 筛选并鉴定突变体：研究人员用60Coγ射线诱变具有自然落粒表型的 SL4，在M2突变代中筛选出了落粒缺失突变体 shat3。表型观察发现，在收获期，shat3 的穗柄断裂拉伸强度（BTS）比野生型（WT）更强。对小穗进行纵切观察，发现开花期 WT 和 shat3 都有完整的脱落区，授粉后 0 天两者穗柄断裂面形态无明显差异，但 15 天时 WT 的断裂面更光滑，shat3 的则较粗糙，这表明 shat3 影响种子脱落是通过干扰脱落区细胞的分解。
- 克隆并验证 SHAT3 基因功能：通过开发多个定位群体，运用图位克隆和全基因组测序，研究人员发现 shat3 中 Os05g0475700 基因的第一个外显子有 1 个碱基对缺失，导致移码突变和提前终止。将包含野生稻基因区域及侧翼序列的片段导入 shat3，阳性转基因互补（CP）株系呈现自然落粒表型。同时，利用 CRISPR-Cas9 技术在 GLA4（部分脱落区发育的栽培稻）背景下构建 SHAT3 功能缺失（CR）株系，结果显示 CR 株系穗柄断裂面粗糙，BTS 显著增加，种子脱落率相应降低，这表明 SHAT3 在脱落区发育后发挥作用。
- 明确 SHAT3 蛋白特性及表达模式：SHAT3 编码的蛋白属于主要促进超家族（MFS），有 12 个跨膜 α 螺旋，主要定位于质膜，伴有胞质点状结构。原位杂交实验表明，SHAT3 在幼穗 6 - 8 厘米时无明显信号，穗长约 10 厘米时在脱落区 - 花梗（AZ-P）区域出现信号，一直持续到穗长 20 厘米，且其转录本从 ln8 期开始表达，独立于 SH4、qSH1 和 SHAT1 。
- 研究植物激素与种子脱落的关系：研究人员监测了 WT、shat3 和 CP 在发育及授粉 13 天的穗中 AZ-P 区域植物激素的动态变化，发现与 shat3 相比，WT 和 CP 在脱落期积累更多的茉莉酸（JA）、茉莉酸 - 异亮氨酸（JA-Ile）和脱落酸（ABA）。用茉莉酸甲酯（MeJA）和 ABA 处理 WT 和 shat3 后发现，JA 促进水稻种子脱落，SHAT3 增强 JA 的积累，但外源 MeJA 处理 shat3 不能使其恢复落粒表型，这表明 SHAT3 和 JA 积累对 AZ 细胞分离都很重要。
- 解析 SHAT3 的调控网络：转录组分析显示，与 shat3 相比，WT 在授粉 13 天的 AZ-P 区域有 1620 个上调和 965 个下调的差异表达基因（DEGs）。基因本体（GO）分析表明，上调的 DEGs 参与 JA 介导的信号通路、创伤和防御反应调节等生物学过程。外源 MeJA 处理主要诱导 WT 中细胞壁相关和糖苷水解酶基因上调，一些转录因子基因也上调，且 SHAT3 似乎受 JA 上调，但恢复 shat3 中的 JAZ 信号不能使其表型互补，可能是因为 SHAT3 的运输功能缺失，MST 实验显示 JA、JA-Ile 和 ABA 与 SHAT3 蛋白无结合，其潜在机制仍需研究。
研究结论表明，SHAT3 的主要功能是通过调节 AZ-P 区域 JA 的积累来调控水稻脱落区的解离，决定种子脱落过程。它是水稻中第一个不参与脱落区形态形成但参与脱落过程的基因，也是 MFS 家族中第一个参与调控种子脱落的基因。不过，脱落过程启动需要 SHAT3 和 JA 积累共存，其具体机制还不清楚，此外，JA 和 ABA 激活的一系列防御反应是植物在种子脱落过程中的自我保护机制。这项研究为深入理解水稻种子脱落机制提供了重要线索，有助于指导水稻品种改良，提高水稻产量，在农业生产领域具有重要的理论和实践意义。
