小穗作为禾本科作物花序特有的结构单元，由数目不等的小花组成，不仅影响了作物的生殖能力，更是决定籽粒产量的一个关键因素。复粒小穗现象在禾本科作物中普遍存在，表现为一个小穗能产生两枚或两枚以上的种子，因而极大地提高作物的穗粒数和产量。典型的高粱小穗含有两朵小花，通常下位花败育，仅留一个外稃；上位花为完全花，可正常发育结实，因此大多数高粱品种每个小穗通常只产生一粒种子。早有学者发现高粱双胞胎(双粒种子)小穗性状能使穗粒数增加超过50% (Karper and Stephens, 1936)，然而其背后的遗传基础未知长达近百年。

 

    近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗课题组与合作者在Nature Plants杂志上发表了题为“Chromosomal Inversion at the DG1 Promoter Drives Double-Grain Spikelets and Enhances Grain Yield in Sorghum”的研究论文。该研究通过构建大量遗传分离群体，将控制双粒小穗的显性位点精细定位到了一个49.5 Kb的区间，其中注释了5个候选基因。通过分析发现，该候选区域存在一个35.7 Kb的染色体臂内倒位。该结构变异使ORF1表达量增强，并使ORF5表达量降低。功能验证发现提高ORF1表达量可产生双粒小穗表型，而敲除ORF5并无表型，因此将ORF1命名为Double-grain 1 (DG1)。DG1编码一个homeobox-containing结构域蛋白，与拟南芥、玉米和水稻的WUS蛋白同源。进一步探究发现单粒小穗高粱dg1启动子区域存在H3K27me3和H3K9me2等抑制型组蛋白甲基化修饰，而双粒小穗高粱DG1启动子区发生的染色体倒位使该组蛋白甲基化水平显著降低，进而解除了对DG1的转录抑制，增强了该基因的表达。

 

    研究人员随后发现在早期幼穗发育过程中，相比于单粒小穗发生退化的下位花，双粒小穗的下位花的小花原基分生组织清晰可见。在开花期，单粒小穗下位花败育，只有上位花形成1枚雌蕊和3枚雄蕊；双粒小穗可产生2枚完整的雌蕊和4-6枚雄蕊。这些研究结果表明DG1在小花分生组织的形成和分化过程中起着重要作用，通过提高DG1的表达量能够恢复下位花的育性。

 

    穗粒数是影响高粱产量的关键因素之一。为了评估DG1基因的结构变异对穗粒数和籽粒产量的影响，研究人员分别在北京和深圳进行了多年多点的大田产量试验。结果表明DG1对株高、分蘖及开花期等其它农艺性状方面并无影响。相比与单粒小穗NIL-dg1植株，双粒小穗NIL-DG1植株虽然种子粒型变小和粒重有所降低，但每穗穗粒数增加40.7% ~ 46.1%，穗粒重增加8.6% ~ 12.4%，小区单产增加10.1% ~ 14.3%。这些研究结果表明利用DG1的优异等位基因在高产分子设计方面具有广阔的潜力，为作物种子精准设计提供宝贵的基因资源。

 

    综上所述，该研究克隆到了控制高粱双粒小穗性状的DG1基因，揭示了DG1的基因组结构变异在控制高粱小穗下位花育性的关键机制，发现了提高作物穗粒数和产量的又一全新路径。值得提及的是，中国酿造中重量的企业围绕在赤水河流域的贵州茅台、五粮液等大型酒企所选用的酿酒高粱原粮品种为小籽粒、耐蒸煮、不易糊化的高粱，而DG1的籽粒变小，比表面积增加，其耐蒸煮性能显著提升，且穗粒数和产量增加，因此该成果将成为酒用高粱品种分子设计的优异基因资源，预计该成果将为中国酿造业的原粮生产做出贡献。

中国科学院遗传与发育生物学研究所已毕业博士生张丹和创新研究员唐三元为该论文的共同第一作者，遗传与发育生物学研究所/先正达集团玉米等作物种质创新及分子育种全国重点实验室主任谢旗研究员与中山大学农业与生物技术学院谢鹏副教授为该论文的共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院先导项目、国家高层次人才特殊支持计划和茅台集团科技创新项目等资助。

 

图. 染色体倒位变异增强DG1基因表达，促使高粱双粒小穗性状形成