HER1 突变增强柱头外伸并提高水稻杂交种子产量

为什么更大的稻花很重要

水稻养活了全球一半以上的人口，而通过杂交两条不同亲本系得到的杂交稻能带来更高的产量。但要大量生产杂交种子并不容易，因为水稻花通常偏向自花受粉。本研究揭示了一个遗传开关，使稻花更频繁地暴露其捕粉部位，从而更易大量生产杂交种子，进而有望提高农户的粮食产量。

水稻授粉的隐形把守者

每粒稻谷都起始于一个被颖壳包裹的小花，颖壳往往包拢雄性与雌性器官，利于自花授粉。为生产杂交种子，育种者需要柱头伸出颖壳之外，才能接收到来自其他植株的花粉。这个性状称为柱头外伸，受柱头尺寸和位置的影响。到目前为止，多数已知影响柱头外伸的基因是通过改变籽粒形状间接起作用。作者着手寻找直接控制柱头本身的因子。

一种柱头特别伸出的水稻突变体

研究人员在一种广泛使用的育种系中筛选经随机诱变的植株，发现一种具有异常明显、羽状柱头的突变体。该突变体被命名为 her1（high exsertion rate 1，柱头外伸率高1），其柱头从颖壳中伸出的花朵比例几乎是正常植株的两倍。显微观察显示其柱头更长、更宽且更密集，支撑柱头的花柱细胞数目更多，使整个雌性结构增大。尽管自花授粉时结实率略有下降且籽粒略小，其他与产量相关的性状大体保持不变，提示该突变可能对育种有用。

抑制柱头生长的分子刹车

为了解这一显著变化的原因，团队将突变定位到单个基因 HER1，该基因编码一种识别染色质组蛋白上特定化学标记的蛋白质。这些标记，尤其是一种称为 H3K9me2 的修饰，是细胞表观遗传系统的一部分，用于在不改变 DNA 底层序列的情况下开关基因。在正常植株中，HER1 结合携带该标记的组蛋白并帮助维持其修饰状态，从而倾向于使附近基因保持沉默。在 her1 突变体中，该蛋白发生截短，不能正常结合，导致特定位置的 H3K9me2 水平下降，使某些基因得以被激活。

开启一个扩展柱头的基因

通过将全基因组范围内这些组蛋白标记的图谱与柱头中基因活性测量相结合，研究者锁定了一个下游基因，他们将其命名为 DS2。在正常花中，HER1 与 H3K9me2 一起定位在 DS2 区域，抑制 DS2 的表达。在 her1 突变体中，这些修饰和 HER1 的结合均减少，DS2 在柱头细胞中被强烈激活。DS2 编码属于常参与激素和代谢通路的一类酶。当在正常植株中人为过表达 DS2 时，柱头变大且外伸率增加；当敲除 DS2 时，柱头变小；在 her1 背景中去除 DS2 则大幅逆转柱头过大的性状。这些实验共同表明，HER1 在正常情况下通过表观遗传机制抑制 DS2，从而限制柱头生长。

将发现转化为育种工具

由于 HER1 的天然变异罕见且与柱头大小关联不明显，作者将功能丧失的 her1 等位基因导入用于杂交种子生产的标准雄性不育系，创建了名为 herA 的新系。在田间试验中，当 herA 植株接受配套雄系的花粉时，增强的柱头外伸使远缘授粉率约提高了 23%，单位面积种子产量比原始不育系提高了约 20–22%。重要的是，当用 herA 与若干恢复系杂交以生产商业 F1 杂交种时，所得杂交植株表现出正常的农艺性状和产量，表明突变的任何轻微不利影响在 F1 杂交体中被遮蔽。

这对未来稻作有什么意义

对普通读者而言，核心信息很直白：通过放松对单一基因的表观遗传抑制，科学家使稻花的捕粉端变得更大、更易从颖壳中伸出。这一简单的物理改变使作为雌本的水稻植株能从配套亲本接受更多花粉，从而在不牺牲最终作物表现的前提下生产更多杂交种子。HER1–DS2 模块因此为育种者提供了一种有针对性的手段，可降低高产杂交稻的成本并提高其可获得性，可能在许多种稻区带来粮食安全方面的益处。

引用: Guo, D., Du, K., Xu, P. et al. Mutation in HER1 enhances stigma exsertion and hybrid seed production in rice. Nat Commun 17, 2364 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69149-x

关键词: 杂交水稻, 柱头外伸, 表观遗传学, 组蛋白修饰, 作物育种