利用BSA技术鉴定水稻落粒性关键基因OsZIPH1及其在驯化中的功能解析

《Current Plant Biology》：IDENTIFICATION of GENE OsZIPH1 RELATED to RICE SHATTERING USING BULK SEGREGANT ANALYSIS

本研究针对水稻落粒性影响机械化收获的产业难题，通过BSA分析定位到锌指蛋白基因OsZIPH1（Os01g0935000）。基因编辑实验表明该基因敲除后落粒率降低50.2%，细胞学证实其调控离层发育。单倍型进化分析揭示该基因在籼粳分化中的关键作用，为培育适宜机械化收获的水稻品种提供新靶点。

　　

水稻作为全球半数人口的主粮，其生产效率直接关系到粮食安全。然而在机械化收割过程中，水稻落粒性却成为一把双刃剑——落粒性强的品种易在成熟前掉粒导致减产8%-10%，而落粒性弱的品种又因枝梗易断裂混入秸秆造成4%-5%损失。如何培育落粒性适中的水稻品种，成为育种家们亟待破解的难题。

为攻克这一瓶颈，中国农业科学院作物科学研究所韩冰团队在《Current Plant Biology》发表研究，通过多学科交叉手段成功鉴定出调控水稻落粒性的关键基因OsZIPH1。该研究以易落粒杂草稻H21（落粒率85.43%）和难落粒粳稻龙稻18（落粒率1.32%）杂交构建的F_2:3群体为材料，结合极端表型混池测序(BSA)、基因编辑和细胞学检测等技术，揭示了锌指蛋白基因Os01g0935000通过调控离层发育影响落粒性的分子机制。

关键技术方法

研究团队首先对288个F_2:3家系进行表型鉴定，筛选24个极端易落粒和24个极端抗落粒株系构建DNA混池（P21和P18）。通过Illumina平台测序获得67.26 Gb高质量数据，利用SNP-index差异分析定位候选区间。采用CRISPR/Cas9技术对候选基因进行双位点敲除，通过石蜡切片观察离层结构，并基于310份已测序材料开展单倍型进化分析。

研究结果

3.1 落粒性表型鉴定

F_2:3群体落粒率呈连续分布（0%-100%），符合数量性状遗传特征。其中49个株系落粒率≤5%，35个株系≥50%，为BSA分析提供理想极端表型材料。

3.2 落粒性主效位点BSA分析

在502,592个SNP位点中筛选出489,080个多态性标记，通过△(SNP-index)分析在1、4、7、8号染色体发现27个候选基因。重点锁定染色体1上的Os01g0935000等7个基因进行功能验证。

3.3 突变体表型鉴定

在Os01g0935000基因260-280 bp区域设计gRNA进行敲除，T2代突变体落粒率降至41.98%（野生型84.33%）。石蜡切片显示突变体离层结构不连续，qPCR检测发现基因表达量下降2.63倍，证实该基因编码的ZOS1-23型C2H2锌指蛋白正调控离层发育。

3.4 单倍型进化与功能预测

在310份材料中鉴定出5种单倍型：HAP1（65.81%）为粳稻特有，HAP2（19.35%）主要存在于籼稻杂草稻，HAP3（10.32%）与栽培籼稻相关，HAP4分布于SH/BHA型杂草稻，HAP5为普通野生稻独有。进化网络表明该基因在籼粳分化中经历特异性选择，可能通过赤霉素(GA)信号通路调控离层木质素沉积。

结论与意义

本研究首次揭示OsZIPH1作为新型锌指蛋白转录因子，通过影响离层细胞分化调控水稻落粒性。单倍型分析勾勒出从普通野生稻（HAP5）到粳稻（HAP1）和籼稻（HAP2/HAP3）的驯化轨迹，为理解水稻落粒性驯化提供分子证据。该基因的发现不仅深化了对植物器官脱落机制的认识，更为培育适宜机械化收割的水稻品种提供了精准育种靶点，对保障粮食安全生产具有重要实践价值。