雜交水稻為提高糧食產(chǎn)量做出了重大貢獻(xiàn)，但其制種產(chǎn)量受限于不育系的低異交率，尤其在秈粳雜交稻制種更為突出。水稻作為自花授粉作物，柱頭外露率是決定異交率的關(guān)鍵性狀之一。以往研究多集中于通過調(diào)控粒形間接影響柱頭外露，但尚未在田間條件下驗(yàn)證其增產(chǎn)效果，且常伴隨不利農(nóng)藝性狀。因此，挖掘直接調(diào)控柱頭發(fā)育且不影響其他性狀的關(guān)鍵基因，成為提高雜交稻制種產(chǎn)量的迫切需求。

近日，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)廖泳祥/周浩/吳先軍團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表題為Mutation inHER1enhances stigma exsertion and hybrid seed production in rice的研究論文，克隆了調(diào)控水稻柱頭外露的關(guān)鍵基因HER1，系統(tǒng)闡明了其通過表觀遺傳途徑調(diào)控柱頭形態(tài)的分子機(jī)制，并成功創(chuàng)制高柱頭外露率不育系，使雜交水稻制種產(chǎn)量提升20%以上，為雜交水稻高產(chǎn)制種提供了重要基因資源和育種新策略。

研究團(tuán)隊(duì)通過EMS誘變，定向篩選獲得柱頭外露率顯著提高的突變體her1，利用MutMap技術(shù)快速定位到候選基因HER1。HER1編碼一個(gè)SET結(jié)構(gòu)域蛋白，與擬南芥SUVR5同源，特異性識(shí)別并結(jié)合組蛋白H3K9me，調(diào)控H3K9me2水平。在her1突變體中，H3K9me2水平下降，導(dǎo)致下游基因DS2表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而促進(jìn)柱頭細(xì)胞增殖與伸長(zhǎng)，最終使柱頭外露率從36.32%提升至70.63%。

研究進(jìn)一步通過Cut&Tag、RNA-seq、ChIP-qPCR等多組學(xué)手段，證實(shí)HER1直接結(jié)合于DS2基因區(qū)域，調(diào)控其表達(dá)水平。DS2編碼一個(gè)短鏈脫氫酶/還原酶（SDR），在柱頭中特異性高表達(dá)。過表達(dá)DS2可模擬her1表型，而敲除DS2則抑制柱頭發(fā)育。這些結(jié)果揭示了“HER1–H3K9me2–DS2”分子模塊在調(diào)控柱頭發(fā)育中的核心作用。

團(tuán)隊(duì)將her1突變基因?qū)肴挡挥礗I-32A，創(chuàng)制出高柱頭外露率不育系herA。田間試驗(yàn)表明，herA的異交率從40.80%提升至50.37%，每666.7 m2制種產(chǎn)量從175.76 kg增至215.08 kg，增幅達(dá)22.37%。同時(shí)，herA所配雜交組合在農(nóng)藝性狀上與對(duì)照無(wú)顯著差異，表明HER1基因在雜交一代中無(wú)明顯負(fù)效應(yīng)，具有極高的育種應(yīng)用價(jià)值。

此外，團(tuán)隊(duì)還在蜀6B、148B、桔182S等多個(gè)骨干親本中敲除HER1，創(chuàng)制出一系列高柱頭外露率新種質(zhì)，為雜交水稻規(guī)?；弋a(chǎn)制種提供了材料基礎(chǔ)。

綜上所述，該研究不僅克隆了一個(gè)具有重要育種價(jià)值的新基因，更首次發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾調(diào)控水稻柱頭發(fā)育，為作物性狀的遺傳改良提供了新視角。HER1基因的應(yīng)用有望顯著降低雜交種子生產(chǎn)成本，推動(dòng)雜交水稻在更多地區(qū)尤其是發(fā)展中國(guó)家的推廣種植。

崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室作物抗病團(tuán)隊(duì)郭岱銘博士（畢業(yè)于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所）、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)杜康兮副教授和徐培洲教授為論文共同第一作者，廖泳祥副教授、周浩教授和吳先軍教授為共同通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、四川省科技計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69149-x