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近日，四川农业大学廖泳祥/周浩/吴先军团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“Mutation in HER1 enhances stigma exsertion and hybrid seed production in rice”的研究论文。该研究克隆了调控水稻柱头外露的关键基因HER1，系统阐明了其通过表观遗传途径调控柱头形态的分子机制，并成功创制高柱头外露率不育系，使杂交水稻制种产量提升20%以上，为杂交水稻高产制种提供了重要基因资源和育种新策略。
突破瓶颈：杂交水稻制种产量低下的核心问题
杂交水稻为提高粮食产量做出了重大贡献，但其制种产量受限于不育系的低异交率，尤其在籼粳杂交稻制种更为突出。水稻作为自花授粉作物，柱头外露率是决定异交率的关键性状之一。以往研究多集中于通过调控粒形间接影响柱头外露，但尚未在田间条件下验证其增产效果，且常伴随不利农艺性状。因此，挖掘直接调控柱头发育且不影响其他性状的关键基因，成为提高杂交稻制种产量的迫切需求。
为此，团队通过EMS诱变，定向筛选获得柱头外露率显著提高的突变体her1，利用MutMap技术快速定位到候选基因HER1。HER1编码一个SET结构域蛋白，与拟南芥SUVR5同源，特异性识别并结合组蛋白H3K9me，调控H3K9me2水平。在her1突变体中，H3K9me2水平下降，导致下游基因DS2表达上调，进而促进柱头细胞增殖与伸长，最终使柱头外露率从36.32%提升至70.63%。
图1
机制解析：HER1-H3K9me2-DS2模块调控柱头发育
研究进一步通过Cut&Tag、RNA-seq、ChIP-qPCR等多组学手段，证实HER1直接结合于DS2基因区域，调控其表达水平。DS2编码一个短链脱氢酶/还原酶（SDR），在柱头中特异性高表达。过表达DS2可模拟her1表型，而敲除DS2则抑制柱头发育。这些结果揭示了“HER1–H3K9me2–DS2”分子模块在调控柱头发育中的核心作用。
图2
育种应用：创制高产制种不育系
团队将her1突变基因导入三系不育系II-32A，创制出高柱头外露率不育系herA。田间试验表明，herA的异交率从40.80%提升至50.37%，每666.7 m²制种产量从175.76 kg增至215.08 kg，增幅达22.37%。同时，herA所配杂交组合在农艺性状上与对照无显著差异，表明HER1基因在杂交一代中无明显负效应，具有极高的育种应用价值。
此外，团队还在蜀6B、148B、桔182S等多个骨干亲本中敲除HER1，创制出一系列高柱头外露率新种质，为杂交水稻规模化高产制种提供了材料基础。
图3
展望：育种新路径--表观遗传
该研究不仅克隆了一个具有重要育种价值的新基因，更首次发现组蛋白修饰调控水稻柱头发育，为作物性状的遗传改良提供了新视角。HER1基因的应用有望显著降低杂交种子生产成本，推动杂交水稻在更多地区尤其是发展中国家的推广种植。
崖州湾国家实验室作物抗病团队郭岱铭博士（毕业于四川农业大学水稻研究所）、四川农业大学杜康兮副教授和徐培洲教授为论文共同第一作者，廖泳祥副教授、周浩教授和吴先军教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、四川省科技计划等项目资助。
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