李家洋：为14亿人培育新时代的水稻

2018 年 12 月 27 日 未来论坛

未来论坛联合中国科学院遗传发育所，特邀2018年未来科学大奖-生命科学奖获得者、中国科学院遗传发育所研究员李家洋，中国科学院遗传发育所所长杨维才、研究员曹晓风、田志喜，上海生命科学研究院植物生理生态研究所所长韩斌，举办学术报告会生命的礼赞系列之Smart Crops in the Future。下面是李家洋老师演讲的精彩内容：

水稻是我国的主粮，能不能生产足够的粮食，为国民、为子孙后代提供丰富的、有营养的食物是中国乃至全世界都面临的问题。其他方面还包括在生产粮食过程中对环境造成的巨大压力、粮食生产对自然资源的消耗以及食品安全。特别是在中国，我们有接近14亿人口，我们的可耕种土地仅占世界8%左右，而我们的人口却占全球总人口的20%。在这样一个巨大的压力之下，我们怎么样才能够确保足够的粮食生产，而且要高效，也要保护环境、保护资源。

从研究的角度看，那就应该要想怎样才能提高产量，特别是单产的提高。怎么样才能去改善粮食的品质、营养价值。对自然灾害的抵抗能力、少投入化肥、少投入抗病虫害的药以及肥料等等。我们在建立实验室之初，就考虑了要围绕这样一个巨大的挑战或者国家的需求，作为我们的研究方向。要具备一定的特色，我们首先要想办法，要提高粮食产量。如何提高呢？

第一次绿色革命是通过株型的改变提高粮食产量，我们认为在未来新的绿色革命或者是绿色革命的再出发当中，株型可能依然是产量提高的一个关键部分。第二，除了产量，就是如何提高营养品质，使我们的粮食或食物不仅仅是提供能量，也提供生活中必需的营养素。第三是从稳产的角度，能够使作物抗自然灾害、抗病虫害、抗倒伏，确保产量的潜力得到充分地发挥，减少损失。通过对这些性状机理的研究，能够培育出适合不同自然条件的高产的、优质的、稳产的新品种。

这就是实验室一直为之奋斗的一个大的蓝图。从产量方面，主要是从株型的角度入手。株高是株型的重要构成因素，这是第一次绿色革命的基础，SD1基因的改良带来了半矮杆作物；除株高外，分蘖（分枝）数非常重要，因为分蘖的顶部长着水稻的穗子，分蘖数决定水稻的穗子多少，对产量至关重要。

除此之外，还有分蘖的角度，因为它和光能的利用、植物栽培的密度、对病虫害的影响是直接相关的。再有是穗的大小，与每个穗子的穗粒数密切相关。每亩或者每株作物的穗数，穗粒的大小和穗粒数构成了产量的三要素。从产量角度来说，就围绕这三点进行研究。

我们先看看分蘖是怎么形成的。有两个主要的步骤，一步是产生分蘖或者分枝的芽，比如在水稻当中，在每一个叶片和茎的夹角之内，产生一个小芽，这个芽长出来形成一个分蘖，分蘖长大之后上面就产生一个穗子。芽的产生是决定性的步骤。第二步就是分裂芽的生长，后面会讲到。

为了理解水稻分蘖芽形成的机理，我们需要材料。我们要找到分蘖数目或者分枝多少改变的材料。我们把它叫做突变体，正常的材料我们叫野生型，Wild-type，用WT来表示。突变体只有一个主穗产生，就是单个秆子，这个单秆材料里尽管叶子依然有，但是在这个地方侧芽完全不能产生。

这个基因在2003年的时候发表在《自然》杂志上，是通过基因图位克隆的方法科克隆出来的，这在当时国内是第一次成功的在作物中用该方法克隆基因，也是国际上在主要农作物中克隆基因的新发展。我们一直想知道单秆基因发挥功能的机理是什么，后来又发现另外一个突变体，叫tillering and dwarf 1，简称tad1。

实际上它和moc1突变体反过来，是多分蘖而且矮化的。我们克隆这个基因之后，就发现它编码的是一个重要的降解蛋白质的复合体，叫APC复合体的一个成员，主要负责在这个复合体中识别底物蛋白，进而让底物蛋白降解。这个过程中，它和我们说的MOC1这个基因是互补的，就是说在水稻体内，可以通过物理性的接触结合起来，它们结合起来就可以让MOC1这个蛋白发生泛素化然后降解。MOC1实际上是TAD1的一个底物。

另外一个重要的过程，在分蘖芽形成过程当中，我们还鉴定了第三个比较重要的突变体，叫做Monoculm3 (moc3)，这个moc3跟moc1非常相近，也是单秆。而且你可以看得出来，它的顶部的分蘖芽形成的过程也受到一定的影响，但是它的表型比moc1要轻一点，能够形成一定的分蘖芽。

通过一系列的研究，发现在分裂芽形成过程当中，需要一系列基因形成调控网络，实现精准调控，其中MOC1发挥了关键作用。

在实际生产过程中，分裂芽产生后能否发育良好形成一个非常好的穗子可能更为重要，因为很多情况下分裂芽形成后会进入休眠状态。在大约十年前左右，在植物激素或者分枝研究当中发现了一类新的植物激素——strigolactones独脚金内酯。它在棉花、高粱、水稻、豌豆和矮牵牛等植物中广泛存在，但在自然界中含量极其微少，它是由ABCD四个环组成的。

我们首先研究的是它的合成，用的突变体叫的d27。发现与野生的水稻也就是正常的水稻相比，d27缺少一种叫epi-5-DS的strigolactones分子。后来发现D27实际上是strigolactones在水稻中主要的合成途径的第一个酶，非常重要。王永红研究员在这里面起了关键的作用，也做了大量的工作，使这项工作成为研究水稻独脚金内酯合成的一个关键进展。

我们实验室也通过合作，研究它的信号传导机理，D14是它的受体分子，发现它在结构上是形成一个小口袋，这个口袋正好可以把Strigolactones装进去，早期我们发现形成一种共价结合，后来发现ABCD四个环进来后，在D环跟ABC环连接处切开，D环的两端形成共价键，发生构象变化，把信号传递下去。

实际上就符合这样一种模式，strigolactones和受体D14结合以后，和SCF复合体结合，使target（底物蛋白）发生泛素化降解，这个target实际上是信号转导的抑制蛋白，抑制蛋白的降解是关键的信号传导步骤。很多在这个领域的实验室都希望找到未知的抑制蛋白。很幸运的是，我们实验室和钱前合作，找到了一个矮生多分蘖突变体，克隆了D53基因，发现突变体中少了5个氨基酸和影响了一个氨基酸的改变，造成了生物学效应。

我们进一步做了一系列的检测和分析。比如说D53对GR24是不是有反应，发现在GR24施加之后，D53快速降解，一个小时之内基本被完全降解，d53突变体是功能获得性突变，所以在GR24施加的时候，它的蛋白质不应该被降解，事实上正是这样。通过进一步的分析，发现这个降解是能够被MG132阻断的，说明降解是通过泛素化的形式发生的。

进一步研究证明这是一个信号传导过程，在合成突变体当中，如果使用GR24的话，D53能够完全被降解，但是对于信号传导突变体，比如d3或者它的受体d14当中，D53不能被降解，说明D53的降解需要信号感受和传导的基因。

基于以上结果我们提出一个模型，在strigolactones含量比较高的情况下，它的受体D14形成一个巨大的复合体，把D53这个抑制蛋白泛素化，随后通过降解途径把D53降解，下游基因就能够被激活从而发挥作用；在strigolactones缺乏的情况下，抑制蛋白不会降解，它和辅助的抑制蛋白TPL/TPR结合起来，能够非常有效的抑制下游基因表达，让strigolactones信号不能传递下去，从而实现了对分枝的调控。这从机理上解决了strigolactones从合成到信号传导的基本过程。

我们很想知道，独脚金内酯信号下游的基因是什么？实际上我们做了大量的工作。举个例子，水稻专家很早就提出如何能够产生一种最理想的植株形态，得到最高或者最好的产量。这种标准就像有的年轻的人去找对象一样，一定要找到是什么样的一个标准是最理想的、最好的，水稻形态也一样，最好的最理想的一个株型是什么，就是它的分蘖数要适中，不能太少也不能太多，太少了穗子的数目就少。

当然穗子数目通过插秧的密度可以进行弥补，另外穗的大小很重要，要是大穗，当然粒子也要相对大。同时茎杆也要特别强壮，不能倒伏，如果茎秆不强壮的话，有雨、风或者施肥过量都会造成严重的倒伏，另外根系要发达。

我们发现了一个突变材料，它的很多性状非常符合育种家们期盼的特征，所以我们就把它命名为理想株型1号。把这个基因克隆之后发现它含有两个非常重要的结构域，一个结构域叫SBP，是DNA结合结构域，另一个结构域被miRNA156和529识别进而发生剪切，是调控该基因表达水平的非常关键的机制。

我们这个突变体中理想株型的性状是显性的，和其他材料杂交以后，它们的后代依然有这样的性状，在生产上是比较好用的，这也是我们非常高兴的一个地方。

这个基因实际上发生单个核苷酸从C到A的变化，导致了一个氨基酸的改变。但实际上更重要的是这个位点正好是miRNA156的识别位点，核苷酸的变化使得miRNA156和529对mRNA的识别效率大大降低，剪切效率降低。最终使蛋白质含量增加，因此是获得了功能的突变。

这个基因我们发现它对分蘖数来说是一个负调控因子，如果把这个基因剔除了，失去功能的突变体表现是分蘖增多、株高变矮。如果在miRNA那个位置进行一次改变，使它不被切割而获得功能，突变体的分蘖减少、株高适当增加。

同时，我们也进一步证明了它不论是失去功能或者获得功能的时候，对strigolactones都是不敏感的。进一步研究发现IPA1和D53上实际上是可以互作的。IPA1是作为一个转录因子在起作用，证明了它作为activator发挥功能。这样我们就发现D53能够抑制IPA1的活性，使它对下游基因的转录激活被抑制，改变D53的蛋白水平，当100%是IPA1蛋白的时候，它的下游基因表达很强。

如果D53的量占到20%，下游基因表达就弱了，40%的时候更弱。如果是100%的D53，表达就消失了，所以D53能够抑制IPA1对下游基因表达的激活。

换一个角度看，IPA1表达的积累也可以抑制多分蘖的表型，不同的突变形式都证明了它具有这一作用。IPA1可以结合到Promoter D53上，进而调控D53的表达。可以看到在GR24处理之后，D53的表达是可以提高的，转录的相对水平增加60%左右，还是非常显著的。

最后，我们可以给出这样一个模型，在有strigolactones的情况下，D14结合它，D53蛋白被降解，IPA1受到的抑制解除，使D53这个基因能够表达，其他下游基因也能得到表达。但是如果没有strigolactones的话，D53和IPA1可以紧密结合在一起，就把它们后面的转录抑制起来，调控分蘖的多和少。

可以总结一下，在水稻分蘖形成过程中，可以通过TAD1、MOC1和MOC3这样一个网络，对分蘖芽的形成进行调控。在分裂芽的进一步伸长过程中，strigolactones是一个重要的调控激素，它的合成基因都起到影响作用，在信号传导过程中形成一个比较复杂的网络。我们知道，IPA1是一个非常神奇的基因，它影响了很多的方面，在其中一个方面，对分蘖多少的调控是通过与strigolactones的互作关系来实现的。当然它对茎秆粗壮性、穗大小等可以通过其他途径调控。

这个IPA1基因能够有效的提高单株的产量，实际上也可以通过调控种植密度来影响总的产量。我们进一步和上海的何祖华研究员合作，他们做了大量的工作，证明IPA1有非常强的剂量效应，它的表达量非常重要。如果这个基因的表达处于一倍、两倍、三倍、四倍，实际上分蘖的多少、株高、穗的大小是有一个变化的。

这个变化通过不同的基因型材料，比如我们刚才说的miRNA156位点发生突变的材料，还有一个新的材料，在IPA1的Promoter（启动子）区域，有一个大片段插入，影响甲基化水平，让它的表达量增高，这个增高是比较恰当的，能产生高的产量。

最后就给出这样一个比较新的理论上的预测和判断。IPA1在恰当的表达量时达到最高的产量，一定要关注它的时空上的表达，因为IPA1在不同时空表达产生的后果是不一样的。

下面我们再稍微说一下IPA1除了产量之外还有另外一个重要的方面，就发现在这样一个突变体的背景当中，它的病斑的大小比较大，过表达IPA1的材料中病斑就非常小。你可以看到，如果是RNAi造成IPA1的表达减少的话，病斑就非常大了，菌株的量也呈现这样的趋势。实际上IPA1蛋白是非常重要的，一旦稻瘟菌感染，它的IPA1蛋白质就被磷酸化了，磷酸化它就能够发挥功能。

我们进一步发现，之所以能够产生这样的效果，就是IPA1有一个位点能够发生磷酸化，只有在S163D这个位置的组成型磷酸化突变有效果。但是在其他位置突变就不行，所以在这个位置的磷酸化起到关键的作用。

我们后面还进一步说明，它是激活了另一条途径，叫WRKY45。实际上IPA1可以提高产量，同时也可以抗稻瘟病。最后用这个图做IPA1的一个总结，在茎秆结构表达的时候是影响分蘖的多少，就是分枝多少，如果在穗上表达，是影响不同的泛素化的变化，它就是影响穗的大小。

但是在叶子里面是高表达的时候就产生抗稻瘟病，所以不同的时空上的表达是极其重要的。稻瘟病没有48小时之后，不侵染它的时候，激活的WRKY45的抗病途径就关闭了，促进高产的途径激活，这样的话就完成了这样一个模式。

下面讲一下关于品质和育种方面。在品质方面，主要讲一下Starch（淀粉）合成的东西，因为我们吃的大米90%都是淀粉，所以淀粉非常重要。这个工作最初的时候我们就在考虑，可能要开创一个新的方法，我们当时刚刚来的一个研究生，田志喜研究员。

他就做了一个比较有挑战性的工作，当时我们不敢做这个，因为水稻好吃不好吃，品质这个事儿，这个实验在国际上做的特别多，特别复杂，怎么把它搞清楚，究竟哪些基因是影响品质基础的，要把它搞清楚。我们就问他能不能做这个挑战工作，他非常勇敢的承担了这个课题，因为这个可能是关系到毕业的问题。他通过查文献，在动物上已经开始做了，比较成功。

在植物上可能有一例做开花的，可以通过一定的关联分析的方法。既然植物上有一例能够做开花，那我们凭着这个现象也是可以的，最后就做了。这样我们和钱前、顾老师，也在韩斌研究员的帮助下，选了70多个不同的研究品种，一部分是籼稻，一部分是粳稻，因为粳稻要相对好吃一点，决定它影响的有四个因素，直链淀粉和支链淀粉的含量，我们把它们归结为直链淀粉的含量(AC)，还有胶稠度(GC)和糊化温度（GT），每一个品种都进行测定。

测定完以后，我们就对18个淀粉合成的基因进行了分析，这在十几年前的时候还是非常困难的，要分析编码序列、非编码序列，平均每一个基因大概有10个KB的长度，那时候很难，用PCR扩增出来，选了70个不同的品种，每一个品种有20个基因。最后他还是非常有创造性，说70个不能都做，做14个核心品种，对核心的品种进行基因测序，其他就进行一部分的测序、分析。

最后就给出这样一张图（上图），这张图一看到之后就非常明确了。图中间的基因是表型控制的相关基因，直链淀粉和支链淀粉含量的主效基因，还有胶稠度的主效基因都是Wx基因，糊化温度GT当中，Wx是一个次要基因，这才是一个主效基因，放在核心中间的位置，还有其他的一些基因。这个图出来以后就把淀粉食用性基本品质搞清楚了。我们做了几十个不同的品种，对这些主要基因的独特性都找出来了，找出来以后就拿到育种上去。

总之，有了这么多的重要基因，和其他的克隆一系列的关键基因，我们都可以把它作分子标记，然后去杂交，根据我们在不同的地区，比如在长江中下游，还是在东北，还是在西南，在不同地区的自然条件，对于类似当地消费者的习惯，把重要的有效资源在做之前就研究清楚，然后找受体、供体，做很好的杂交，再到地里去选育。

比如“嘉优中科1号”连续三年，我们在江苏沭阳万亩田的试验面积上，都是农民自己种的，平均产量都在840公斤左右，有的年头可能高一些，比如今年大概到900多公斤，特别好的地方超过1000公斤，连续几年都很好。

同时我们用这样的思路，在东北五常做育种改良，这是当地的品种（稻花香），这是我们的“中科804”，这是绝对抗倒伏的，今年在大风大雨的情况下，当地的品种80%以上都倒伏了，这样的话“中科804”这个品种就特别好，所以丰产性、抗倒是关键。

这是我们所有走过来的同事、师生、科研人员，以及毕业的这些人员。我在报告当中，也对主要的一些人做了介绍，但实际上还有很多其他的人，比如刘贵富研究员、余泓、王冰等都做了大量的工作，过去毕业的学生也做了很多贡献。我们合作者也有很多，韩斌教授、钱前，还有王（永红）老师，过去我们是一个课题组，也是同事，也是重要的合作者，我们也感谢国家科技部、国家基金委、科学院和研究所给予的大力支持，也感谢今天上午所有作报告的同事。谢谢大家！