PBJ | 日本农业科学研究中心揭示水稻EMF3基因调控花时抵御高温的分子机制

EMF3等位基因的育种应用价值

1.规避高温热害：可使水稻在清晨低温时段开花，高温下结实率显著提升。

2.打破杂交障碍：同步籼稻、粳稻及非洲稻的花时，增加花期相遇概率，促进亚种间杂种优势利用。

3.广泛适应性：在IR64、TDK1等主栽品种中导入该基因，能稳定提早开花，且无产量损失。

图1.EMF3的图位克隆、等位基因鉴定及功能验证

EMF3等位基因在水稻开花时间中的作用

该研究首次揭示了花药在调控水稻花时中的主导作用，突破了以往仅关注浆片调控花时的认知。EMF3通过半显性方式调控水稻开花时间(FOT)，其单核苷酸突变导致的氨基酸改变产生三类FOT变异：提前开花且保持同步性(如emf3-1D)、延迟开花且保持同步性(如emf3-4D)及丧失开花同步性。值得注意的是，EMF3在花药中表达，且对花时基因dfot1呈上位性效应，表明其位于DFOT1上游。

图2.EMF3错义突变产生开花时间的三类表型变异

EMF3等位基因突变对种子结实率的影响

EMF3突变对结实率的影响因等位基因类型而异。CRISPR/Cas9敲除突变体因花药开裂受阻，结实率骤降至约10%；而保持开花同步性的突变体结实率可维持80%–90%。在高温胁迫下，携带提早花时等位基因的材料可在温度升至35°C临界阈值前完成开花，通过"热逃逸"策略有效保护结实率。

图3.EMF3高温“热逃逸”实验

基因表达与分子机制的探索

EMF3编码一个含723个氨基酸的质膜蛋白，具有Armadillo重复折叠区和四个跨膜片段，属于花药特异性表达的Cluster 2基因群。在提早开花的小穗中，花药内渗透调节基因及细胞壁重塑基因在夜间至清晨显著上调，同时浆片中水转运相关基因亦发生改变，暗示花药信号可能间接协调浆片吸水。此外，该等位基因小穗中茉莉酸含量在夜间即显著高于野生型。综上，EMF3可能通过整合渗透调节、细胞壁动态及茉莉酸代谢等多重途径，从上游协调花药开裂与浆片膨大，从而精准调控开花时间。

图4.EMF3蛋白结构与表达模式

doi.org/10.1111/pbi.70653