Nature子刊：中国科学家发现了高粱籽粒数量增加的结构变异

中国科学家发现了高粱双粒小穗的两个主要基因，这极大地提高了籽粒数量和作物产量。dg1 （Double-Grain 1）启动子染色体内35.7千碱基的大量反转驱动dg1的表达上调，导致双粒小穗的发育，显著增加了高粱的粒数，同时说明了基因组结构变异在植物进化中的关键作用。

　　

中国科学家发现高粱双籽小穗的两个主要基因，这些基因显著增加了谷粒数量和作物产量。在 DG1（Double-Grain 1）启动子区域的一个35.7千碱基的染色体内部倒位显著上调了 DG1 的表达，从而导致双籽小穗的形成，显著增加了高粱的谷粒数量，同时也展示了基因组结构变异在植物进化中的关键作用。

这项研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗教授团队联合其他五个机构共同开展，发表于《自然·植物》杂志。

高粱是一种主要的谷物作物，通常每小穗只产生一粒种子，因为每个小穗中的下部小花在发育过程中会退化。然而，某些高粱品种表现出双籽小穗的性状，两个小花都能发育成种子，谷粒产量显著增加。在禾本科作物中，如草类和竹子，多籽小穗的现象较为常见，长期以来一直吸引着研究人员的注意。早在1936年，Karper和Stephens就报告说高粱的双籽小穗性状可以增加超过50%的谷粒数量，但其遗传基础近一个世纪以来一直未被揭示。

通过构建三个遗传分离群体，研究人员将双籽小穗的显性位点定位到一个49.5千碱基的区间内。他们在这个区域内发现了一个35.7千碱基的染色体倒位，该倒位增强了 ORF1 的表达，同时降低了 ORF5 的表达。功能分析证实，ORF1 表达的增加触发了双籽小穗表型，而敲除 ORF5 则没有影响。因此，ORF1 被命名为 DG1。该基因编码一种与拟南芥、玉米和水稻中的 WUSCHEL（WUS）蛋白同源的同源域蛋白。

进一步分析发现，DG1 启动子区域的倒位显著减少了抑制性组蛋白甲基化标记 H3K27me3 和 H3K9me2，缓解了转录抑制，增强了 DG1 的表达。

在幼穗期，与下部小花退化的单籽小穗相比，双籽小穗在幼穗期保持可见的下部小花分生组织。在开花期间，单籽小穗只产生一个可育的上部小花，而双籽小穗则发育出两个完整的雌蕊和四到六个雄蕊。这表明 DG1 调控小花分生组织的形成和分化，恢复下部小花的育性，从而导致双籽性状。

在北京和深圳多年进行的田间试验表明，DG1 对植物高度、分蘖或开花时间等关键农艺性状没有负面影响。尽管携带 DG1 等位基因的植株千粒重略有下降，但每穗谷粒数量增加了40.7%到46.1%，每穗谷粒重量增加了8.6%到12.4%，每小区总产量提高了10.1%到14.3%。这些结果表明，DG1 是通过分子设计培育高产高粱的宝贵遗传资源。

总之，这项研究克隆了控制高粱双籽小穗性状的 DG1 基因，揭示了 DG1 基因组结构变异控制高粱小穗下部小花育性的关键机制，并发现了一条增加每穗谷粒数量和作物产量的新途径。

值得注意的是，中国大型酿酒企业，如位于赤水河流域的茅台和五粮液，使用粒小且耐煮、糊化的小穗高粱品种作为原料。与 DG1 相关的谷粒更小，比表面积增加，耐煮性显著提高，且每穗谷粒数量和产量更高。因此，它是用于酿造高粱品种分子设计的优良基因资源，预计这一成果将有助于中国酿造业原粮的生产。