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为提升粳稻产量，研究人员探究源库相关基因，发现需协同提升源库能力，对粳稻育种意义重大。
在水稻的世界里，粳稻因其良好的口感，深受人们喜爱，尤其在东北亚地区，它是餐桌上的常客。近年来，随着人们对优质大米需求的增加，粳稻的种植面积不断扩大。然而，气候变化、肥料价格上涨以及劳动力短缺等问题，给粳稻生产带来了巨大挑战，培育高产粳稻品种迫在眉睫。
此前，日本培育出了如‘Habataki’‘Takanari’‘Hokuriku 193’等高产品种，但这些品种多为籼稻，且其高产特性在粳稻中难以直接应用。虽然已经分离出许多与高产相关的基因，可单独增加库容量（sink size）并不能保证产量的提高，还需要提升源能力（source capacity），并促进光合产物向库器官的高效转运 。在这样的背景下，日本国立农业和食品研究组织（National Agriculture and Food Research Organization，NARO）等机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Rice》杂志上。
研究人员主要运用了基因定位、近等基因系（NILs）构建和分析、数量性状位点（QTL）分析等技术。通过对大量水稻品种进行杂交实验，结合分子标记技术，定位与产量相关的基因；构建携带不同目标基因的近等基因系，在田间和实验室条件下评估其产量及相关性状；利用 QTL 分析，挖掘影响水稻源库能力和产量的关键基因组区域。
研究结果如下：
- 库容量相关基因：众多基因影响水稻库容量，如 GN1A/OsCKX2 编码细胞分裂素氧化酶 / 脱氢酶，可降解活性细胞分裂素，增加生殖器官数量，‘Habataki’的 GN1A 等位基因能使‘Koshihikari’每穗粒数增加约 30%；GW2 编码 RING 型 E3 泛素连接酶，‘WY3’的 GW2 等位基因可使产量提高 19.7% 。此外，还有 γ 亚基的异源三聚体 G 蛋白（如 GS3、qPE9-1/DEP1 ）、TGW6、IPA1/WFP/SPL14、GW6、GW6a/OsglHAT1、qGL3/OsPPKL1 等基因，它们分别通过不同机制影响粒形、粒重、穗分支等，进而影响库容量。但引入这些基因并不一定能使粳稻高产，因为产量受多种因素制约，且存在权衡关系。
- 增加源能力的相关研究
- 提高单位叶面积光合速率：研究发现多个与光合速率相关的 QTL，如 GPS（等同于 NAL1），其突变可增加叶肉细胞数量、叶片厚度和光合速率，但会导致叶片变窄，携带‘Takanari’的 NAL1 基因的近等基因系产量未增加；CAR8 编码 CCAAT 盒结合转录因子的亚基，‘Habataki’的 CAR8 基因有突变，携带该突变区域的近等基因系虽增加了氮含量等光合相关指标，但田间产量却下降。qCTd11、qHP10 和 qCAR5 也能提高光合速率等，但致病基因尚未确定。
- 改善冠层结构：‘DGWG’-type sd1 等位基因可使水稻呈半矮化形态，改善冠层结构，但在‘Koshihikari’背景下，其高产效果有限。理想的冠层结构特征之一是旗叶位于穗上方，像‘Takanari’的冠层结构就有利于减少穗部遮光，但控制冠层结构的基因研究还不够深入。
- 增加灌浆期转运能力：研究涉及多个与转运相关的基因，如 SUT 家族的 OsSUT1、OsSUT2 等，SWEET 家族的 OsSWEET4、OsSWEET11 等，它们在蔗糖转运中发挥重要作用。此外，OsDOF11、OsRRM、Nhd1、OsbZIP72、OsNF-YB1 和 OsNF-YC12 等基因通过调控糖转运蛋白基因的表达，影响蔗糖转运和分配。APO1/SCM2 编码 F-box 蛋白，可促进光合产物转运，‘Habataki’的 APO1 等位基因能增强茎秆强度和抗倒伏性。
- 衰老调控：叶片衰老过程中，营养物质会从源器官转运到库器官。OsSGR 编码叶绿素降解酶，粳稻的 OsSGR 等位基因可延长叶片光合能力，提高产量；OsNAP、OsNAC2、ONAC096、ONAC106 等 NAC 家族转录因子参与叶片衰老调控，通过调节它们的表达可影响产量。
- 基因聚合策略：要实现水稻高产，需平衡源库能力。若能量化每个等位基因的效应，设计理想的等位基因组合，有望实现可持续的作物改良。但由于源能力受环境影响大，且产量相关性状间存在权衡关系，构建理想基因型并不容易。目前，只有‘sd1DGWG’和‘DEP1Balilla’在温带粳稻育种中成功应用，未来需结合多种技术，如挖掘增强源能力的基因、考虑源库平衡的基因聚合、开发预测模型和加速世代技术等，来提升粳稻产量。
研究结论表明，虽然已鉴定出许多与库容量相关的重要基因，但仅依靠这些基因难以实现高产，必须同时增加源能力以维持源库平衡。研究人员需要分离和利用改善单叶光合作用、冠层结构以及增加灌浆期转运能力的基因，并开发创新系统来高效产生所需的等位基因组合。这项研究为粳稻高产育种提供了重要的理论依据和实践指导，有助于推动粳稻育种技术的发展，应对粮食生产面临的挑战，保障粮食安全。
