理想小粒径基因的遗传编辑实现杂交水稻的全机械化育种

在《自然植物》杂志上发表的一项研究中，中国科学院遗传与发育生物学研究所的李云海教授和。中国水稻研究所的朱旭东和王跃星已经鉴定出一个理想的小粒径基因GSE3。

他们证明，在雄性不育系中利用GSE3的小粒等位基因可以实现全机械化杂交种子生产和增加种子数量

作物杂交技术为全球产量的显著提高做出了贡献。在过去的几十年里，通过使用杂交水稻，水稻产量增加了20%-30%，加强了粮食安全。目前，F1杂交种子生产中劳动密集型的人工步骤阻碍了杂交水稻育种的全面机械化

实现这一目标的一个有希望的方法是开发小粒雄性不育系和大粒恢复系，通过使用简单的筛选器将小F1杂交种子从这两个系的混合种植中机械分离。在田间试验中，一个理想的小粒雄性不育系对F1杂交种子数量和杂交水稻产量的负面影响也应该最小

田优华占是我国近几十年来广泛种植的优良杂交水稻品种。天风A（TFA）、天风B（TFB）和华展（HZ）分别是TYHZ的雄性不育系、保持系和恢复系。研究人员将TFB与各种小粒水稻品种杂交，成功培育出理想的小粒保持系小桥B（XQB）及其相应的新雄性不育系小桥A（XQA）

此外，将大粒籼稻品种邝四甲地与恢复系HZ杂交，建立大粒籼稻恢复系大花展（DHZ）。田间试验表明，不育恢复系XQA-DHZ能够实现杂交水稻的全机械化生产，增加了杂交种子数量，不影响杂交水稻产量

研究人员确定GSE3基因负责XQA和XQB的小颗粒表型。同时，他们进行了大规模诱变筛选，以确定用于培育理想的小粒雄性不育系的基因，并分离出m238，这是一种具有小粒数和增加粒数而不影响其他农艺性状的突变体。进一步分析表明，m238是GSE3的一个新等位基因。

此外，他们使用CRISPR-Cas9技术在三系和两系杂交水稻系统中对GSE3基因进行了基因组编辑，实现了杂交种子的全机械化生产，并显著增加了杂交种子数量。他们还发现，GSE3编码一种影响组蛋白乙酰化水平的GCN5相关N-乙酰转移酶样蛋白

GSE3被转录因子GS2募集到其共同调节的粒径基因的启动子，并影响其共同调节基因的组蛋白乙酰化状态，从而调节粒径

本研究阐明，当恢复系与雄性不育系的粒厚差异较大时，一些优良杂交水稻品种仅需编辑雄性不育系中的GSE3基因就可以实现机械化杂交种子生产。

对于其他优良杂交水稻种种，可通过编辑雄性不育株中的GSE2基因和恢复系中的大粒GS2基因或其他大粒径基因来实现机械化混合种子生产。这为其他重要作物的机械化杂交种子生产提供了一个新的视角