近日，吴先军教授团队克隆了调控水稻每日开花时间新基因EMF1，并解析其影响水稻浆片细胞壁发育的分子机制及其潜在应用价值。该成果为杂交水稻不育系的开花习性改良和杂交水稻制种产量的提高提供了理论指导和基因资源。相关研究成果在线发表在植物学知名期刊Plant Biotechnology Journal。
在杂交水稻产业中，杂交制种效率是决定杂交组合能否得到广泛应用的重要因素。在传统的杂交水稻系统中，恢复系（R）是花粉供体，雄性不育系（MS）是花粉受体，只有当双亲小花的开花时间相遇时，才能高效地生产杂交种子。但在大多数杂交组合，尤其是籼粳杂交组合中，MS系的平均开花时间通常要晚于R系，这极大地限制了杂交稻制种效率。
该研究团队通过对宜香1A的对应保持系宜香1B进行EMS诱变，筛选出一个早花突变体emf1，能够使每日的开花时间提早约2.5小时（图1A）。该突变体浆片细胞壁中的纤维素和果胶等成分含量显著降低，浆片细胞壁结构疏松，吸水速率显著提高，浆片膨大加快从而促使颖花开放时间提前(图1A-I)。EMF1编码一个DUF642蛋白（图1J），在水稻不同发育时期不同组织中均有表达，在扬花期的花器官中表达量较高。EMF1蛋白定位于细胞壁，能够与果胶甲基酯酶（PMEs）和葡聚糖酶（GLN2）互作从而影响浆片细胞壁中果胶和纤维素的合成（图1K-L）。EMF1突变影响PMEs和GLN2功能，导致浆片细胞壁的形成受到影响，细胞壁结构变得疏松，吸水性增强，从而提早水稻的开花时间（图1N）。
EMF1的克隆、功能分析和育种应用
为探讨EMF1的育种利用，研究团队将emf1与宜香1A回交获得宜香1A-emf1，宜香1A-emf1的开花时间比宜香1A提早约2.5小时；同时为了测试EMF1在粳稻中的应用，在中花11中敲除了EMF1，同样获得了花时提前了约2小时的中花11突变株系。此外，通过对多样性水稻种质中EMF1的单倍型分析，发现在第二外显子存在一个C到T的变异引起了氨基酸的改变，该变异在热带粳稻中形成了一种新的单倍型（H6），其开花时间明显早于粳稻中的主要单倍型（H4）（图1O和1P）。并且H6等位型在热带粳稻中连锁不平衡衰减速度缓慢，表明其可能在热带粳稻的育种过程中受到了人工的选择。以上研究为水稻每日开花时间调控分子机制解析提供了新思路，同时展现了EMF1基因在杂交水稻不育系培育和制种产量提高中的潜在应用价值。
水稻研究所副教授徐培洲、博士研究生吴挺开和Dr.Asif Ali为论文的共同第一作者，周浩教授和吴先军教授为论文的共同通讯作者，中国科学院遗传与发育研究所傅向东研究员和宜宾市农科院江青山研究员参与了此研究。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、四川省科技厅育种攻关等项目的资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13860
