水稻是我国第一大口粮作物，是筑牢国家粮食安全的最大压舱石。随着生活水平的提升，粮食安全观从重点关注产量安全转变为产量和质量并重。然而，水稻育种中长期存在“高产难优质、优质难高产”的突出矛盾。如何打破这一“产量‑品质权衡”现象一直是水稻育种的重大瓶颈。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士团队在Science Bulletin发表了题为“An atypical kinase simultaneously enhances grain yield and appearance quality in rice”的研究论文。该研究发现，GSN7基因具有协同调控水稻产量与品质的关键作用，该基因功能降低可在保持千粒重稳定的前提下，提高籽粒长宽比、减少垩白，同时提升每穗粒数，实现产量与品质的同步改良。该研究为突破水稻产量与品质协同改良的育种瓶颈提供了重要的基因靶点与育种策略。
该研究利用染色体片段代换系材料进行图位克隆，成功鉴定出一个位于水稻第7染色体上的关键基因GSN7（Grain shape and number 7）。研究发现，GSN7编码一种非典型的类受体胞质激酶。GSN7蛋白通过与OsGSK2（GSK3/Shaggy-like Kinase）互作，竞争性干扰其与GW5（Grain Width 5）的互作，从而解除GW5对OsGSK2激酶活性的抑制作用，最终影响籽粒形态与穗分枝发育（图1）。
图1. gsn7突变体的穗型、粒型以及籽粒品质
单倍型分析表明，GSN7基因主要存在三种单倍型（Hap.1、Hap.2和Hap.3）。其中，Hap.3在粒长宽比和单株产量方面表现最为突出，但在现代栽培品种中分布频率较低，且主要集中在少数籼稻品种中。目前大多数籼稻品种仍属于Hap.1类型，这表明Hap.3的育种潜力尚未得到充分发掘。结合群体遗传学分析显示，在水稻驯化过程中，GSN7位点的核苷酸多样性较其野生祖先显著下降，表明该基因受到了强烈的人工选择；然而，最优单倍型Hap.3的低频率分布则提示，在早期的驯化与育种选择中，其频率偏低可能与其对特定环境的适应性有关（图2）。
图2. GSN7单倍型与单核酸多态性分析
针对不同生态型，提出以下育种策略，籼稻育种：由于Hap.3源于籼稻遗传背景，其优良性状已在相似遗传环境中得到验证。采用标记辅助选择技术将该单倍型导入高产籼稻品种，是实现产量与品质同步提升最为直接、高效的途径。粳稻育种：直接导入籼稻来源的Hap.3可能因亚种间遗传背景差异而引入连锁累赘。更优的策略是运用基因编辑技术，对粳稻自身的GSN7基因进行精准调控，创制功能适度弱化的新型等位基因，模拟Hap.3的增产提质效应，同时完整保留粳稻在品质与适应性方面的优良遗传基础。
综上，该研究发现了一个可以协同改良水稻产量与品质的新靶点GSN7，拓展了对水稻穗粒数和粒形发育协同调控分子机制的认识，这一发现为突破产量和品质之间的矛盾提供了理论依据和具有育种价值的基因资源（图3）。
图3. GSN7协同调控水稻产量与品质的分子机制
中国科学院遗传与发育生物学研究所吴允哲博士、在读博士生王琪、和河南科技学院生命科学学院教师王芸博士为该论文共同第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所吴昆研究员、傅向东研究员和吴允哲博士为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项及新基石研究员项目资助完成。
