发布人:     发布日期: 2026-04-29    浏览次数:

全球气候变暖与极端高温天气频发,对农业生产构成严峻挑战。其中,水稻灌浆期的高温胁迫严重影响稻米产量与品质。水稻籽粒灌浆对高温高度敏感,尤以粳稻为甚。RISBZ1(又称bZIP58)是调控水稻籽粒灌浆的重要转录因子。已有研究表明,高温会诱导其前体mRNA发生异常可变剪接,产生含有提前终止密码子的异常转录本(β1和β2),同时正常转录本(α)减少,从而导致籽粒灌浆热敏感。

近日, 作物抗逆与种子生物学创新团队团队在JIPB发表了题为“Intron editing of RISBZ1 confers thermotolerance for grain filling in rice”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70274)。该研究利用CRISPR/Cas9技术,精准删除了RISBZ1第5内含子中的热诱导剪接受体位点(HIASS),成功消除了高温诱导的异常可变剪接,显著增强了水稻灌浆期的耐热性,同时实现了稻米产量与品质的协同提升,为作物分子育种提供了新策略与新种质。

为消除RISBZ1的有害剪接事件,研究人员针对该内含子设计了6对双gRNA,采用CRISPR/Cas9介导的片段删除策略,从水稻参考品种“日本晴”背景下的235株阳性转基因植株中,筛选出3个携带HIASS缺失的纯合编辑株系。其中,株系#3-1和#5-1缺失35bp,株系#5-2缺失193bp。在灌浆期常温和高温条件下,对3个株系进行半定量RT-PCR和qPCR分析发现:在野生型中,高温显著诱导了RISBZ1异常剪接转录本的积累;而在3个编辑株系中,无论常温还是高温,均检测不到异常剪接转录本,表明HIASS位点的删除成功消除了RISBZ1基因的热诱导异常剪接事件。

在南京大田灌浆期正常温度下,#3-1和#5-1的千粒重分别增加4.2%和3.6%,#5-2的千粒重降低10.5%;3个株系的其余主要农艺性状无明显变化,表明精准删除HIASS在正常条件下有助于提高产量,而193bp的大片段删除可能破坏了该内含子中的未知调控元件。在灌浆期高温胁迫下,#3-1和#5-1的千粒重分别比野生型高出10.8%和10.7%。野生型的垩白粒率为80.5%,3个编辑株系分别降至33.5%、35.0%和48.0%;垩白度也从野生型的58.8%分别降至23.2%、20.9%和28.7%。最终,#3-1和#5-1的单株产量分别提高12.0%和11.7%,而#5-2降低15.0%。通过分析RISBZ1下游基因及灌浆调控基因的表达变化,发现在高温胁迫下,野生型中绝大多数基因的表达量大幅下降,而#3-1和#5-1中大部分基因的下降幅度较低或不受影响,#5-2中仅部分基因下降幅度较低。三个株系中RISBZ1的剪接效率无明显差异,但#5-2中RISBZ1的mRNA出核效率显著下降,提示该大片段删除区域可能包含潜在的mRNA出核调控位点(图1)。

图1通过RISBZ1内含子编辑删除热诱导剪接受体位点,显著提升水稻灌浆期耐热性

为验证该策略的育种潜力,研究团队在优良粳稻品种“南粳46”背景下进行了相同的内含子编辑,获得35bp缺失株系#ng-1和187bp缺失株系#ng-2。在灌浆期高温胁迫下,#ng-1的千粒重比野生型增加7.3%,垩白粒率从51.9%降至31.7%,垩白度从50.1%降至28.3%;#ng-2的垩白粒率和垩白度虽有所降低,但其千粒重亦出现下降。这表明精准删除HIASS位点具有潜在的育种应用价值。

综上所述,该研究首次通过内含子编辑精准删除RISBZ1的HIASS,显著提升了水稻灌浆期的耐热性;在适宜环境下可增加千粒重,在高温逆境下则可减少产量和品质损失。这一内含子编辑策略不仅为水稻耐高温育种提供了新种质与新思路,也为在其他作物中通过重要调控基因的内含子编辑实现性状改良或研究调控元件提供了范例。

南京农业大学博士研究生李琳涵、周林为论文共同第一作者,张红生教授(已逝)、陈孙禄副教授为共同通讯作者,南京农业大学黄骥教授、鲍永美教授、王巍教授和浙江大学王蒙岑教授提供了重要支持与帮助。特别感谢浙江省农科院朱英研究员对论文的审读。该研究得到国家自然科学基金(32000377、32172037、32472211)及生物育种重大专项(2023ZD04068)的资助。