SMG9基因调控水稻粒型与垩白性状并赋予高温抗性的分子机制研究

《The Crop Journal》：SMG9 stabilizes grain yield and quality in rice under heat stress

本研究针对全球变暖导致的高温胁迫严重威胁水稻产量和品质的产业难题，鉴定了一个多效性基因SMG9。该基因编码PRC2复合体组分OsVIL4蛋白，通过调控细胞增殖与扩展正向调控粒型，同时通过抑制活性氧（ROS）积累和程序性细胞死亡（PCD）负向调控垩白形成。研究发现，敲除SMG9在保持产量的同时，显著提高了籽粒品质和苗期及花期耐热性，为培育高产优质耐热水稻新品种提供了重要基因资源和理论依据。

　　

全球气候变暖引发的极端高温天气对世界粮食安全构成严重威胁。水稻作为全球过半人口的主粮，其产量和品质对高温胁迫尤为敏感。高温会破坏水稻生长发育，抑制光合作用，诱导氧化应激，最终导致显著减产和品质劣变，尤其是垩白度增加，严重影响稻米的外观品质和商品价值。面对日益严峻的高温挑战，挖掘能够协同调控产量、品质和耐热性的多效性基因，并解析其分子机制，对于培育气候智能型水稻品种、保障粮食安全具有重要意义。

近日，一项发表于《The Crop Journal》的研究为解决这一难题提供了新思路。该研究团队鉴定到一个名为SMG9（Small Grain 9）的关键基因，它编码一个 vernalization insensitive 4-like (VIL) 蛋白，是 Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2, 多梳抑制复合体2) 的组成部分。研究人员发现SMG9在水稻粒型、品质和耐热性方面扮演着核心角色，其功能缺失突变体在保持产量的同时，实现了籽粒品质和高温耐受性的双重提升。

为深入解析SMG9的功能，研究人员综合运用了图位克隆、CRISPR/Cas9基因编辑、过表达、回补实验、组织化学染色、生理指标测定、细胞学观察以及田间高温胁迫评价等多种技术方法。研究材料主要包括粳稻品种Wuyunjing 31 (W31)背景的smg9突变体、以及在该背景和NIP背景创建的SMG9基因敲除（KO）和过表达（OE）转基因株系。田间实验在武汉、杭州和海南等多个地点进行，以评估不同环境下的表型。自然高温处理通过调整播种期使水稻花期和灌浆期与当地高温时段同步。

3.1. smg9突变体的表型鉴定

研究人员从一个EMS诱变的W31群体中分离到一个小粒突变体smg9。与野生型W31相比，smg9突变体的株高、粒长、粒宽和千粒重均显著降低，但一次分枝数、二次分枝数和每穗粒数反而增加，最终单株产量与野生型无显著差异，表明SMG9是一个协调植株形态、穗部结构和粒型发育的多效性调控因子。

3.2. SMG9的图位克隆

通过图位克隆技术，将SMG9定位到水稻第5染色体上一个50.72 kb的区间内，并确定LOC_Os05g05310为候选基因。测序发现smg9突变体中该基因第三个外显子存在一个单碱基（G）缺失，导致移码突变和蛋白质截短。回补实验能够完全恢复smg9突变体的表型，证实了该基因的功能。

3.3. SMG9正向调控粒型和株高但负向影响分枝数

在W31和NIP背景下创建的SMG9敲除系均表现为籽粒变小，而过表达系则籽粒显著增大。细胞学分析表明，SMG9通过促进颖壳细胞的增殖和扩张来正向调控粒型。此外，SMG9敲除系植株变矮、分枝数和每穗粒数增加，而过表达系则表现为植株增高、分枝数和每穗粒数减少，进一步证明了其多效性调控功能。

3.4. SMG9促进颖壳发育过程中的细胞增殖和扩张

对幼穗颖壳的解剖结构分析发现，SMG9敲除系的颖壳周长、内部薄壁细胞数目以及内外稃的细胞长度和宽度均减小，而过表达系则显著增加。这从细胞水平解释了SMG9调控粒型的机制。

3.5. SMG9的表达分析和亚细胞定位

RT-qPCR和组织特异性GUS染色显示，SMG9在茎、发育中的穗子和胚乳中高表达。亚细胞定位证实SMG9蛋白定位于细胞核，这与它作为转录调控复合体PRC2组分的功能相符。

3.6. 突变SMG9通过抑制ROS产生和PCD来降低垩白

与野生型相比，smg9突变体和SMG9敲除系的糙米透明度更高，垩白度和垩白粒率显著降低，而过表达系则垩白性状加剧。扫描电镜显示敲除系胚乳淀粉颗粒排列紧密规则，而过表达系则疏松无序。更重要的是，研究发现SMG9敲除系发育中胚乳的活性氧（H₂O₂, O₂^?）和丙二醛（MDA）含量降低，程序性细胞死亡（PCD）延迟，而过表达系则相反。这表明SMG9通过调节ROS稳态和PCD进程来负向调控垩白形成。

3.7. 突变SMG9通过提高产量和品质赋予耐热性

在2024年杭州自然高温胁迫下（花期>35°C，灌浆期>30°C），SMG9敲除系表现出优于野生型的产量和品质，垩白度显著降低；而过表达系则对高温极为敏感，产量和品质严重下降。苗期耐热性鉴定表明，SMG9敲除系在高温处理后的存活率远高于野生型，而过表达系几乎全部死亡。生理检测发现敲除系叶片中H₂O₂积累减少、超氧化物歧化酶（SOD）活性升高，说明其耐热性的增强与ROS清除能力的提高有关。

该研究系统揭示了SMG9/OsVIL4作为PRC2复合体组分，通过协调细胞发育和ROS代谢，在调控水稻粒型、品质和耐热性中发挥核心作用。其创新性在于发现了一个能够同时平衡产量、品质和耐热性的多效性基因。SMG9功能缺失在不大幅牺牲产量的前提下，显著改善了稻米外观品质并增强了高温耐受性，打破了产量与品质、产量与抗逆性之间的传统负相关关系。这为通过基因编辑等分子育种技术精准改良水稻综合性状，培育适应未来气候变化的高产优质耐热新品种提供了宝贵的基因资源和理论支撑，对保障全球粮食安全具有重要的战略意义。