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JIPB | 南京农业大学张红生/陈孙禄团队:编辑RISBZ1内含子,实现水稻耐热与产量双提升

2026-06-04 02:11:06

水稻灌浆过程是决定产量和品质的核心环节，但其对高温极其敏感。随着全球气候变暖，灌浆期热胁迫频发，常导致粒重下降和垩白增加，严重威胁粮食安全。已知水稻灌浆的主开关基因 RISBZ1 (bZIP58) 负责调节淀粉合成，但在高温下该基因会发生异常的选择性剪接（AS），产生大量含有提前终止密码子的无功能异构体，导致功能蛋白匮乏。目前的科学认知缺口在于，虽然已知RISBZ1的剪接紊乱是热敏感的主因，但如何通过基因工程手段在不破坏基因正常功能的前提下，精准封堵这些异常剪接路径，仍缺乏有效的实践框架。研究团队以此为切入点，试图通过“修剪”内含子来重塑基因的环境适应性。

2026年4月22日，南京农业大学农学院作物遗传与种质创新利用全国重点实验室张红生教授与陈孙禄副教授团队在国际知名植物学期刊《Journal of Integrative Plant Biology (JIPB)》上发表了题为“Intron editing of RISBZ1 confers thermotolerance for grain filling in rice”的研究论文。研究通过 CRISPR/Cas9 技术精准删除了水稻灌浆核心调节因子 RISBZ1 内含子中的高温诱导异常剪接受位点（HIASS），成功消除了高温导致的异常剪接现象。这一策略不仅显著提升了水稻在高温环境下的千粒重和结实率，还大幅降低了籽粒垩白度，为培育应对气候变暖的耐热高产水稻品种提供了全新的分子育种范式。

为消除RISBZ1中高温诱导的异常可变剪接，研究首先明确RISBZ1的第五内含子含有高温诱导的供体和受体剪接位点，且异常可变剪接异构体均利用高温诱导受体剪接位点（HIASS）。研究设计6对双gRNA，采用CRISPR/Cas9介导的靶向缺失技术，在日本晴背景下获得235株阳性转基因株系，经PCR和测序鉴定，筛选出21株存在≥10bp大片段缺失的株系，其中5株缺失片段覆盖HIASS；进一步获得3株携带HIASS缺失的纯合株系，其中#3-1和#5-1为35bp缺失，#5-2为193bp缺失。

为验证编辑株系中RISBZ1可变剪接情况及农艺性状，研究通过半定量RT-PCR和qPCR分析发现，在温室正常温度（28°C/24°C昼夜）和高温胁迫（38°C/28°C昼夜）灌浆条件下，3个编辑株系均未检测到异常可变剪接异构体，证实HIASS缺失可完全消除有害的RISBZ1可变剪接。田间正常条件（灌浆期平均29.8°C/24.8°C昼夜）下，编辑株系与野生型主要农艺性状无显著差异，#3-1和#5-1的千粒重、千糙米重分别增加4.2%/5.1%和3.6%/5.1%，#5-2则分别下降10.5%/9.4%，仅#5-2每穗粒数略有减少；#3-1和#5-1籽粒长度增加，#5-2籽粒宽度变窄，三者垩白粒率和垩白度均无显著变化，表明HIASS精准缺失不影响正常条件下的农艺性状，还可增加籽粒重量，而超出HIASS的大片段缺失会对籽粒发育产生有害影响。

缺失RISBZ1内含子中的高温诱导受体剪接位点可提高水稻灌浆期耐热性

为评估编辑株系的灌浆期耐热性，田间高温胁迫（灌浆期平均36.3°C/27.5°C昼夜）下，野生型千粒重、千糙米重分别下降10.4%/9.2%，而3个编辑株系下降幅度显著减小；#3-1和#5-1的千粒重、千糙米重分别比野生型高10.8%/10.4%和10.7%/10.3%，#5-2仍低于野生型。#3-1和#5-1的结实率分别比野生型高9.5%和10.6%，单株产量分别增加12.0%和11.7%，#5-2单株产量则下降15.0%。所有编辑株系的垩白粒率均显著降低，远低于野生型，垩白度也显著低于野生型；扫描电镜观察显示，编辑株系垩白粒的胚乳淀粉颗粒排列更紧密，而野生型排列松散。温室高温胁迫下，编辑株系表现与田间一致，证实HIASS精准缺失可显著增强灌浆期耐热性，有效保护籽粒产量和品质。

为探究编辑株系耐热性的分子机制及#5-2表现较差的原因，qPCR检测显示，野生型中24个灌浆调控基因和RISBZ1靶基因中有21个在高温下显著下调，而#3-1和#5-1中19个基因下调幅度减小甚至不下调，#5-2中仅6个基因下调幅度小于野生型且表达水平更低。进一步分析发现，3个编辑株系的RISBZ1剪接效率无显著差异；结合mRNA核输出与可变剪接的关联性，检测发现#5-2的RISBZ1 mRNA核输出效率下降，推测其内含子中超出HIASS的大片段缺失可能包含mRNA核输出调控元件。

缺失RISBZ1内含子中的高温诱导受体剪接位点可提高水稻灌浆期耐热性

为验证HIASS缺失的育种潜力，研究利用gRNA Pair 5在优良品种南粳46中进行RISBZ1内含子编辑，获得36株阳性转基因株系，其中2株携带HIASS缺失，#ng-1为35bp缺失，#ng-2为187bp缺失。田间高温胁迫下，#ng-1的千粒重、千糙米重分别增加7.3%/5.5%，#ng-2则分别下降5.2%/6.8%；#ng-1籽粒长度增加，#ng-2籽粒尺寸减小，且#ng-1中GS2和GW6a基因上调，#3-1和#5-1中GW6a基因也上调。高温胁迫下，#ng-1和#ng-2的垩白粒率和垩白度均显著低于野生型，证实HIASS精准缺失在优良水稻品种中同样具有增强灌浆期耐热性的潜力。

研究首次通过CRISPR/Cas9编辑RISBZ1内含子中的高温诱导受体剪接位点（HIASS），成功消除高温诱导的RISBZ1异常可变剪接，赋予水稻灌浆期耐热性，填补了内含子编辑调控水稻灌浆期耐热性的研究空白。研究在优良水稻品种中验证了该编辑策略的有效性，为水稻抗高温分子育种提供了新的技术路径和基因靶点，同时证明了农艺重要基因的内含子编辑是一种有价值的作物育种策略，也为鉴定和表征功能基因内含子中的调控元件提供了新范例，对应对全球气候变化、保障水稻产量和品质具有重要的理论意义和实践价值。

原文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70274

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