【国科科技港】山西农业大学王拴锁团队:发现谷子“绿色革命”基因并揭示杂种优势形成机制
近日，山西农业大学王拴锁团队在Nature Communications在线发表了题为A domestication gene links plant architecture and nitrogen metabolism to enhance yield in foxtail millet的研究论文。该研究成功克隆了控制谷子株高、分蘖和氮代谢的关键基因SiSD1，首次揭示了 SiSD1/sisd1 杂合基因型在谷子杂交育种中的增产效应及其氮代谢互补机制，为谷子分子设计育种提供了重要的基因资源和理论支撑。谷子（Setariaitalica）是我国干旱和半干旱地区重要的传统粮食作物，因其抗旱、耐贫瘠、养分利用效率高，被视为应对极端气候变化下粮食安全挑战的理想作物。但是谷子生产中长期存在株高过高、分蘖少、易倒伏等问题，导致单位面积产量远低于水稻、小麦等主粮作物，平均单产仅为2.5–3.5吨/公顷。二十世纪中叶的“绿色革命”已充分证明，通过调控赤霉素（GA）合成与信号转导途径优化作物株型，可显著提升产量。水稻半矮化基因SD1与小麦Rht1的引入，不仅赋予作物抗倒伏能力，还大幅提高了收获指数，从而推动了全球谷物产量的历史性飞跃。然而，在谷子这一重要的旱作C4作物中，是否存在与水稻、小麦类似的绿色革命基因？是否在育种实践中已被应用？回答上述核心科学问题，对于深入解析谷子株型调控的遗传基础、推动谷子分子设计育种具有举足轻重意义。针对上述科学问题，该团队组装了矮秆多分蘖高产谷子品种“吨谷”的T2T完整基因组，并在此基础上克隆了水稻绿色革命基因SD1的直系同源基因SiSD1。研究发现，吨谷中SiSD1的单碱基缺失导致移码突变和蛋白质翻译提前终止，使活性赤霉素含量显著降低，在降低株高、增加分蘖的同时优化了氮代谢配置。群体遗传学证据表明，SiSD1在谷子驯化过程中受到选择，拥有关键SNP位点的优异单倍基因型材料赤霉素含量适度降低，呈现粗壮茎秆和大穗表型，并优先保障籽粒产量。尤为重要的是，SiSD1/sisd1杂合基因型在已大面积推广的杂交种中占比高达88.8%，直接验证了这一分子机制在育种实践中的核心价值。该研究还揭示了SiSLR1–SiERFs–SiSD1分子模块对株型建成的精细调控机制。目前，研究团队正以SiSD1为核心基因，通过分子标记辅助选择开展新种质创制与杂交种选育，助力旱区谷子产量迈上新台阶。图1 SiSD1在谷子驯化过程中受到选择，协同调控株型与氮代谢山西农业大学博士研究生王晨燕、赵凯副研究员、张会副教授、已毕业硕士研究生徐晨阳、在读硕士研究生许玉清为共同第一作者。山西省后稷实验室（杂粮生物育种山西省实验室）王拴锁研究员、孔照胜研究员与中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士为论文共同通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后刘蔷、山西农业大学期刊中心王鹏飞、生命科学学院李雪垠副教授、后稷实验室韩渊怀教授参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金专项项目、山西省科技重大专项揭榜挂帅项目、国家重点研发计划、山西省重点研发计划及山西农业大学高层次人才启动经费等项目的资助。https://doi.org/10.1038/s41467-026-74682-w《瑞谷图》是中国第一历史档案馆的镇馆之宝，作者是意大利画家郎世宁。雍正初年(1723年)恰逢难得一见的丰收年景，雍正闻报各处粮食丰收，大悦，便令大学士张廷玉传旨，让宫廷御用画师郎世宁作《瑞谷图》。郎世宁绘金色瑞谷五穗，穗长且颗颗饱满，寓意五谷丰登。《瑞谷图》中有五穗，分别象征：国泰、民安、家和、业顺、人兴。
