作物种子包壳性状的丧失是作物穗型驯化过程中的一个典型事件。作物野生种通过携带的包壳性状抵御外界的侵袭，进而保证自身的繁衍，然而这种包壳性状极大地不方便人工或机械化的种子脱粒、加工和播种过程，因此被人类选择成不包壳（裸粒）的性状。高粱是人类最早栽培的禾本科作物之一，高粱种子的包壳性状具有丰富的表型变异，其中粒用的籽粒高粱亚种多表现为裸粒(图1)。早在80多年前，学者就将包壳性状作为区分高粱各亚种的一个典型指标，但目前关于高粱包壳性状的分子遗传基础仍然是一个空白。 

　　图1：高粱种子的包壳性状具有非常丰富的表型变异 

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究组利用遗传学、生物信息学和分子生物学等手段揭示了一个主效基因GC1(Glume Coverage 1)位点的变异导致了高粱种子裸露性状的产生。GC1是一个负调控包壳性状的关键因子，其蛋白的C端截短突变可能是通过减少其被26S蛋白酶体途径介导的降解，导致截短蛋白gc1显著积累。一个马铃薯糖蛋白相关磷脂酶SbpPLAII-1可能作为GC1下游信号的一个关键组分来发挥功能，其可以通过上调Cyclin-CDK通路相关基因的表达来促进颖壳细胞增殖。因此相对于GC1而言，在体内更稳定的gc1-a能促进更多的SbpPLAII-1降解，进而抑制SbpPLAII-1的功能，最终降低高粱的包壳程度(图2)。 

　　综上所述，该研究鉴定了一个控制高粱包壳性状的关键基因GC1，其截短突变的类型使高粱种子的脱粒效率提升了60%，并揭示了高粱穗型驯化过程中包壳性状发生变异的分子机理。目前在禾谷类作物中，仍然有近40%的高粱、大部分谷子以及糜子等种质资源材料表现为严重的包壳性状，利用截短的GC1等位基因将为高粱、谷子及糜子等禾本科作物的裸粒育种提供理论支撑。未来通过基因编辑对GC1进行定点截短突变也将快速实现对谷类野生种质资源的快速从头驯化。 

　　该研究于2022年2月25日在线发表于Nature Communications杂志。谢旗研究组的博士后谢鹏为论文的第一作者，谢旗研究员和吴耀荣副研究员和谢鹏为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院种子精准设计与创造A类先导专项和国家自然科学基金--山东联合基金等资助的支持。 

　　图2：GC1控制高粱包壳性状的分子机制模型