栽培稻是全球最重要的一年生糧食作物之一，然而其祖先普通野生稻卻是一種多年生、匍匐生長的野草狀植物。水稻馴化過程中“多年生”性狀的丟失一直是未解之謎，更多人期待著能夠重新培育“多年生水稻”，實現(xiàn)一次種植、多次收獲。北京時間3月20日，一項中國科學家最新研究以封面形式在國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》發(fā)表，找到了水稻丟失的“長壽基因”，也讓創(chuàng)制“多年生水稻”成為可能。

這項研究來自中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心，植物性狀形成與塑造全國重點實驗室韓斌院士團隊和植物高效碳匯重點實驗室（中國科學院）王佳偉研究員團隊首次克隆了決定野生稻多年生生活習性的關(guān)鍵基因EBT1，并闡明了該基因座位表達模式的改變是水稻在馴化過程中由多年生向一年生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

中國科學家發(fā)現(xiàn)野生稻多年生生活習性關(guān)鍵基因，成果登上《科學》封面。  本文圖片均為中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心供圖

關(guān)鍵基因逆轉(zhuǎn)水稻生命周期

研究團隊首先對446份野生稻資源進行了系統(tǒng)的表型考查，發(fā)現(xiàn)部分野生稻材料與一年生栽培稻不同，這些植株在種子成熟后并未衰老死亡，而是在節(jié)間腋芽處持續(xù)萌發(fā)出新的側(cè)枝。這些分枝會不斷延伸，持續(xù)生長，落地后會生根并發(fā)育成為新的植株，從而呈現(xiàn)出野草狀的表型。也就是在開花后出現(xiàn)發(fā)育程序的逆轉(zhuǎn)，重新返回營養(yǎng)生長期（“成花逆轉(zhuǎn)”現(xiàn)象），從而呈現(xiàn)出一種無性繁殖的多年生生活習性。

為了找到?jīng)Q定該多年生表型的關(guān)鍵基因，研究團隊以多年生東鄉(xiāng)野生稻W(wǎng)1943（Oryza rufipogon，野生稻的一種）與一年生栽培稻秈稻廣陸矮四號（GLA4）雜交，構(gòu)建染色體替換系，開展了正向遺傳學研究。利用精細的圖位克隆技術(shù)，最終定位并克隆到該基因，命名為Endless Branches and Tillers 1（EBT1），意為“無盡的分枝與分蘗”。研究發(fā)現(xiàn)，該基因座位由兩個串聯(lián)排列的微小RNA（microRNA）基因——MIR156B和MIR156C組成。

MIR156BC的重置介導了水稻從一年生向營養(yǎng)生長型多年生的轉(zhuǎn)變。

miR156是植物的“年齡開關(guān)”，調(diào)控了植物的發(fā)育進程。經(jīng)典理論認為，miR156在幼苗期高表達，隨著植物年齡的增長，其表達量逐漸降低，從而推動植物由營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變。出人意料的是，研究團隊發(fā)現(xiàn)，盡管野生稻MIR156B和MIR156C也遵循類似“隨年齡遞減”的表達模式，但它們會在開花后分蘗節(jié)的腋芽中重新被激活。這種表達狀態(tài)的重啟或重置，使得腋芽能夠出現(xiàn)發(fā)育程序的逆轉(zhuǎn)，恢復營養(yǎng)生長能力，不斷產(chǎn)生新的分蘗，從而呈現(xiàn)出“無性繁殖”的發(fā)育模式。進一步深入分析發(fā)現(xiàn)，這一獨特的重啟現(xiàn)象與野生稻EBT1（MIR156B和MIR156C）基因座位的表觀修飾狀態(tài)密切相關(guān)。

該位點的野生稻和栽培稻群體基因組遺傳變異分析顯示，該基因區(qū)域在水稻馴化過程中受到人工選擇。這意味著，在追求高產(chǎn)和株型緊湊的栽培稻時，人們可能無意中“丟棄”了野生稻的多年生基因。

培育“多年生水稻”，讓稻田變“果園”

水稻從“一年生”到“多年生”，描繪的是一種“稻田變果園”的未來愿景。水稻不再需要每年重新耕地播種，而是可以收獲之后自行生長。生長周期大概在3-4個月，實現(xiàn)一次種植、多次收獲。

韓斌表示，這將在極大程度上節(jié)省農(nóng)民勞力，節(jié)約種子資源，同時有利于土壤耕作層的修復和保護，提高水肥利用率。從糧食供應角度，多年生作物的培育將為拓寬我國耕地面積、保障糧食安全提供技術(shù)儲備。多年生作物適合坡耕地和丘陵山區(qū)等低產(chǎn)田場景，是常規(guī)一年生作物的有效補充。

在基礎研究的基礎之上，研究團隊通過將EBT1與已知的兩個水稻匍匐基因PROG1和TIG1聚合，成功創(chuàng)制出能夠復現(xiàn)野生稻野草表型的“類野生稻”植株，該聚合材料具有強大的無性繁殖能力。目前，在研究團隊進行試驗的海南田間環(huán)境中，這一新植株已經(jīng)存活至少兩年。

當然，對“多年生水稻”創(chuàng)制的研究在我國也并非首例。此前，云南大學胡鳳益團隊開發(fā)的多年生水稻品種PR23就入選了《科學》雜志評選的2022年度十大科學突破榜單。同為多年生水稻，有何區(qū)別呢？

韓斌對此解釋指出，PR23是由多年生非洲長雄野生稻與一年生亞洲栽培稻遠緣雜交而來，關(guān)鍵是利用了長雄野生稻所具備的地下莖，這是普通野生稻沒有的。此外，兩者的遺傳機制也不同，且PR23經(jīng)歷了二十余年漫長的傳統(tǒng)育種。此次發(fā)表的成果則找到了確切的“長壽基因”，并通過近緣雜交明顯降低了技術(shù)難度，將大幅加速“多年生水稻”的培育進程。王佳偉進一步表示，從研究成果來看，EBT1基因并非水稻獨有，因此這種“多年生”的改造理論上至少可以向其他禾本科植物拓展。

談及“多年生水稻”的口感和產(chǎn)量，研究團隊表示培育并未影響種子發(fā)育之外的基因，對口感不會有太大影響。雖然單次收獲的產(chǎn)量目前無法完全達到栽培稻的水平，但不需反復播種所帶來的勞動力減少等其他效益改變，或許能實現(xiàn)更好的平衡。下一步，研究團隊也會考慮和育種企業(yè)合作，利用最新研究成果篩選出“多年生水稻”品種，在特定區(qū)域開展規(guī)?；N植，這一過程或?qū)⒃谒牡轿迥陜?nèi)完成。

強強聯(lián)合的科研合作標桿

早在2018年，研究團隊就定位到了EBT1基因，而后近8年時間攻關(guān)，讓“多年生水稻”的一種全新創(chuàng)制方式成為可能。而對于王佳偉來說，針對miR156基因的研究更是已有20年之久，卻沒想到在這次科研合作中發(fā)現(xiàn)其竟是水稻的“長壽密碼”。

“巧合得不敢相信?！蓖跫褌フf，“當時就想拍大腿，看到這個結(jié)果的時候你會發(fā)現(xiàn)，一切都完美而合理，這就是科學的神奇和美感?！?/p>

八年時間里，這項研究完成了多種遺傳方法的應用，包括打樣、基因編輯、轉(zhuǎn)基因等，多種不同手段試驗操作不易，工程量極大。研究方法之外，研究材料的選取也成為該項研究最突出的創(chuàng)新點。學術(shù)界對于植物長壽基因的研究由來已久也不乏成果，但在禾本科植物中完成對長壽基因的研究，這還是頭一次。

合作團隊在討論課題進展情況。從左至右依次是王佳偉、韓斌、戴冰馨、呂丹鳳。

這項科研工作的合作之中，韓斌院士團隊長期深耕于水稻遺傳學與基因組學研究，擁有豐富的野生稻資源和強大的正向遺傳學研究平臺；王佳偉團隊則在植物發(fā)育生物學，特別是植物年齡、再生和多年生領(lǐng)域具有深厚的積累。

兩個團隊打破學科壁壘，優(yōu)勢互補、共享資源、互通思路，從現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)到基因克隆，再到機制解析，最終完成了從“定位基因”到“讀懂機制”的完整科學故事，充分體現(xiàn)了研究所內(nèi)部交叉融合、協(xié)同創(chuàng)新的科研生態(tài)“軟實力”，也是跨團隊、跨學科合作攻關(guān)重大科學問題的標桿案例。

回顧合作科研的進程，韓斌院士形容雙方的合作“勤奮而不卷”，并未刻意追求文章發(fā)表級別，而是關(guān)注研究本身的意義和故事性。他笑著提到兩句話——“道可致而不可求”“莫之求而自至”。