科技日报记者 韩荣
谷子单产长期徘徊在每公顷3吨左右，不到水稻小麦的一半。植株高、分蘖少、易倒伏，这些老问题困扰育种界数十年。山西农业大学王拴锁研究员团队成功克隆控制谷子株高、分蘖和氮代谢的关键基因SiSD1，首次揭示SiSD1/sisd1杂合基因型的增产效应及氮代谢互补机制，为谷子分子设计育种提供了关键基因资源和理论支撑。日前相关成果发表在《自然·通讯》。
谷子是我国北方干旱半干旱地区传统主粮，抗旱、耐贫瘠、养分利用效率高，在极端气候频发背景下是保障粮食安全的重要战略作物。上世纪中叶，水稻半矮化基因SD1和小麦Rht1引发“绿色革命”，作物茎秆变矮变壮、不易倒伏，养分更多流向穗部，产量大幅攀升。但谷子作为典型旱作C4作物，是否存在类似“绿色革命基因”，育种实践中是否已有应用，这些问题的答案长期悬而未决。
王拴锁团队以高产矮秆谷子品种“吨谷”为突破口，率先完成该品种的无缺口完整基因组组装，基因组连续性达到染色体级别。在此基础上，团队通过比较基因组学分析，精准定位并克隆出水稻SD1基因的同源基因SiSD1。
研究发现，“吨谷”中SiSD1发生单碱基缺失，导致蛋白翻译提前终止、赤霉素合成通路受阻。植株矮化的同时分蘖数显著增加，氮素分配从营养器官向籽粒倾斜，收获指数明显提升。团队进一步扩大样本范围，对全国范围内已审定推广的谷子杂交种开展基因型检测，发现SiSD1/sisd1杂合基因型占比高达88.8%。
这一数据直接证明，育种家数十年来凭表型经验选育的高产杂交种，其优势背后正是该基因型的分子效应在起作用。研究还解析了SiSLR1—SiERFs—SiSD1调控模块的作用机制，阐明赤霉素信号与氮代谢协同调控株型建成的分子基础。
王拴锁表示，该研究首次在谷子中鉴定出具有育种实用价值的“绿色革命基因”，为旱作作物株型改良提供了精准靶点。相比传统育种依赖表型选择的盲目性和滞后性，SiSD1分子标记的开发将使谷子育种从“经验选种”迈向“精准设计”。
下一步，团队将以SiSD1为核心，通过分子标记辅助选择开展新种质创制与杂交种选育，旱区谷子单产水平有望实现跨越式提升，为保障国家粮食安全提供新的科技支撑。
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