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随着气候变暖，夜间高温（HNT）严重影响水稻产量和品质，导致小穗育性（SF）降低、谷粒垩白增加。研究人员通过 CRISPR/Cas9 技术调控水稻 V-PPase 表达，发现可提高 SF、降低垩白，提升产量。这为培育抗 HNT 水稻品种提供了新途径。
在全球气候变暖的大背景下，许多农作物都受到了不同程度的影响。水稻作为世界上重要的粮食作物之一，对温度变化极为敏感，尤其是在生殖生长和灌浆阶段。近年来，全球多地夜间温度上升速度比白天更快，夜间高温（HNT）成为影响水稻产量和品质的关键因素。HNT 会干扰水稻生殖发育和灌浆的关键过程，导致小穗育性（SF）降低，谷粒垩白增加。谷粒垩白不仅影响水稻的外观，还会降低碾米品质，当垩白度超过可接受范围（6 - 10%）时，每增加 1% 的垩白度，整精米率（HRY）就会下降 1%。然而，目前现代水稻品种中缺乏可靠的耐 HNT 等位基因，而且 HNT 耐受性的遗传机制复杂，涉及多个产量相关性状，这使得培育耐 HNT 水稻品种的工作困难重重。
为了解决这些问题，美国阿肯色大学系统农业分部（University of Arkansas System Division of Agriculture）和巴西联邦拉夫拉斯大学（Federal University of Lavras）的研究人员开展了一项关于水稻的研究。他们发现，通过 CRISPR/Cas9 技术对水稻液泡 H?转运焦磷酸酶（V-PPase）基因 VPP5 进行转录调控，能有效提高水稻在 HNT 条件下的小穗育性，降低谷粒垩白，提升稻谷产量和品质。该研究成果发表在《Plant Cell Reports》上。
研究人员开展这项研究时，主要运用了以下关键技术方法：一是利用 CRISPR/Cas9 技术对水稻 VPP5 基因的启动子进行诱变；二是通过表型分析，观察不同水稻品系在温室和 HNT 环境下的生长情况和产量性状；三是运用 qPCR 技术分析基因表达水平；四是进行 RNA 测序（RNA-seq），探究基因表达变化和相关代谢途径。
下面详细介绍研究结果：
- Nip_vpp5 水稻品系的表型分析：研究人员将携带 vpp5 等位基因的日本晴水稻品系（Nip_vpp5）与野生型（Nip_WT）对比研究。在温室和 HNT 环境下，Nip_vpp5 开花时间比 Nip_WT 晚 4 - 5 天，灌浆期植株平均高度显著低于 Nip_WT，但穗数和穗长无明显差异。Nip_vpp5 的小穗育性显著提高，谷粒垩白显著降低，在 HNT 条件下，碾米产量（MRY）和整精米率也显著提高，且谷粒长度略有增加。这表明 vpp5 突变对水稻主要产量构成因素有积极影响。
- Kitaake 水稻品系中 vpp5 突变的验证：研究人员利用 CRISPR/Cas9 技术在 Kitaake 水稻中开发了两个 vpp5 突变体（Kit_vpp5 - 6 和 Kit_vpp5 - 7）。qPCR 分析显示，两个突变体品系的 VPP5 基因在颖果中均下调，其中 Kit_vpp5 - 6 下调差异显著。对 Kit_vpp5 - 6 的 T1 代种子进行产量分析，发现其在温室中的小穗育性提高，在 HNT 条件下谷粒垩白降低，MRY 和 HRY 在至少一种环境中显著高于野生型（Kit_WT）。这进一步验证了 vpp5 突变对水稻产量和品质的积极影响。
- RNA-seq 分析揭示潜在机制：研究人员对开花后 10 天的 Nip_vpp5 和 Nip_WT 颖果进行 RNA-seq 分析。主成分分析显示，两者转录谱差异大于 50%，差异表达分析发现 615 个差异表达基因。关键淀粉途径基因差异表达，且热响应过程相关基因下调，包括热休克蛋白（HSP）和热休克转录因子（HSF）。同时，Nip_vpp5 中一组 13kDa 醇溶蛋白基因上调，11S 球蛋白基因下调。由此可见，vpp5 突变通过影响一系列代谢变化，包括淀粉代谢、醇溶蛋白和 HSP 的差异积累，来改善水稻在 HNT 条件下的谷粒品质。
综合以上研究结果，该研究表明，利用 CRISPR 技术调控 VPP5 基因表达，能产生一个可靠的等位基因，有效提高水稻在 HNT 条件下的小穗育性，降低谷粒垩白。其潜在机制涉及多种代谢变化，不仅包括淀粉生物合成，还涉及醇溶蛋白和小分子热休克蛋白（sHSP）的差异积累。这项研究为培育耐 HNT 水稻品种提供了新的理论依据和技术手段，对保障全球粮食安全具有重要意义，为后续水稻抗逆育种研究开辟了新方向，有助于应对气候变化带来的农业生产挑战。
