【科研论文科普解读】

  民以食为天，粮以种为先。提起小米，很多人只把它当作养胃杂粮，却少有人知晓，起源于我国的谷子，是干旱、半干旱地区守护粮食安全的“战略作物”。它耐干旱、耐贫瘠，在缺水少肥的瘠薄土地依旧能扎根结实，是应对全球极端气候、拓宽粮食产能边界的重要底气。可长期以来，高秆易倒伏、分蘖少、单产偏低的短板，让这颗“耐旱好粮”始终没能释放全部增产潜力。

  近日，山西农业大学王拴锁团队在国际期刊《自然·通讯》刊发最新研究成果，成功克隆谷子首个“绿色革命”同源关键基因SiSD1，首次揭开杂合基因型SiSD1/sisd1兼顾矮秆、多蘖、高效利用氮肥的增产底层逻辑，补齐谷子分子育种关键理论短板，为旱区小米高产稳产送上精准育种“基因钥匙”。

  旱作粮仓有短板，谷子亟待一场“绿色革命”

  很多人会疑惑：既然谷子抗旱耐瘠，为何产量远不及水稻、小麦？这背后藏着禾谷类作物百年育种的核心规律。

  20世纪中叶席卷全球的“绿色革命”，依靠水稻SD1、小麦Rht1半矮秆基因，一举解决高秆作物倒伏难题，植株不再徒长，养分更多输送给籽粒，全球谷物产量实现跨越式增长。半个多世纪过去，水稻、小麦早已完成矮秆改良，唯独谷子一直缺失对应的关键矮秆调控基因，成为旱作育种领域悬而未决的科学难题。

  从种植现实来看，传统谷子品种普遍植株偏高，密植后茎秆细弱，遇风雨极易发生倒伏；分蘖数量少，一亩地有效谷穗有限；同时氮素利用效率不足，即便追加氮肥，大部分养分也消耗在秸秆生长，难以转化为小米产量。数据显示，我国谷子平均单产仅2.5–3.5吨/公顷，和主粮存在显著差距。

  更关键的是，全球干旱半干旱耕地持续扩张，极端干旱天气频发，谷子作为为数不多适配贫瘠旱地的C4作物，承载着拓展粮食种植空间、丰富膳食结构的双重使命。找不到专属“绿色革命基因”，就没法从遗传根源改造株型、提升养分利用率，小米增产只能停留在传统田间选种，效率低、周期长、提升空间有限。

  问题摆在了科研人员面前：谷子体内是否存在和水稻SD1功能同源的基因？这个基因能不能同步解决倒伏、分蘖、氮肥吸收三大难题？它在谷子杂交品种中是否已经发挥作用？山西农大科研团队以此为突破口，开启了针对谷子“绿色革命”基因的系统攻关，他们把目光投向了一个特殊的谷子品种——“吨谷”。

  破译“吨谷”的遗传密码，一石三鸟解锁谷子增产双重机制

  “吨谷”是一个矮秆、多分蘖的高产谷子品种，名字本身就寄托着农民对丰收的期盼。

  想要找到调控谷子株型的基因，先要搭建完整的基因图谱。团队组装出端粒到端粒（T2T）完整基因组，并在此基础上克隆了水稻绿色革命基因SD1的直系同源基因SiSD1。

  研究发现，高产品种“吨谷”的SiSD1基因发生一处单碱基缺失，微小的基因变异引发移码突变，蛋白质翻译提前终止，导致植株体内赤霉素含量降低。赤霉素是促使作物长高的核心激素，含量下降后，谷子不再疯长，茎秆粗壮抗倒伏，同时分蘖数量显著增多，一亩地能长出更多有效谷穗，从群体结构上夯实产量基础。

  不同于单纯矮秆品种易减产的旧认知，SiSD1突变体并非一味压缩株高，而是精准平衡植株营养分配：减少秸秆无效生长，把光合产物优先供给穗部籽粒，大幅提升收获指数，完美复刻水稻、小麦绿色革命的增产逻辑。

  “杂合”的智慧，旱薄地少施肥也能多打粮

  如果说找到SiSD1基因已经是一个重大突破，那么这项研究最让人拍案叫绝的发现还在后面。

  科学家们注意到一个有趣的现象：当谷子的两个SiSD1基因拷贝中，一个为“正常版”（SiSD1），另一个为“突变版”（sisd1）时，其杂合基因型个体的株高与分蘖数均介于双亲之间。这种中间型株型不仅增强了植株的抗倒伏能力，同时也保证了足够数量的有效穗数，从而在产量上显著超越了双亲纯合体。这一现象，正是谷子遗传育种中特定杂种优势的典型体现。

  此外，这项研究还证实，SiSD1是同时串联株型建成与氮素代谢的“总开关”。基因突变后，谷子体内氮素吸收、转运、分配通路全面优化，在土壤肥力薄弱、氮肥供给有限的旱坡地，依然能高效抓取土壤氮元素，定向供给籽粒发育。

  SiSD1在谷子驯化过程中受到选择，协同调控株型与氮代谢

  通俗来讲，同样施一袋化肥，普通高秆谷子大半养分长秸秆，携带sisd1突变基因的矮秆谷子，养分更多沉淀到小米中，既降低种植化肥投入成本，又减轻旱地农业面源污染，契合有机旱作绿色发展方向。

  研究还给出了极具产业价值的结论：SiSD1/sisd1杂合基因型具备杂种优势，能有效平衡正常基因与突变基因的功能，株高、分蘖、氮利用三者同时达到最优状态。团队对大面积推广的商用谷子杂交种开展基因型检测，88.8%的主流品种都携带这一杂合基因组合，直接证明该分子机制早已在育种实践中发挥核心增产作用。

  科研人员还进一步厘清上游调控通路，解析SiSLR1–SiERFs–SiSD1分子模块如何精细调控谷子生长发育，搭建起完整清晰的遗传调控网络，让谷子株型改良从“凭经验选种”升级为“按基因设计育种”。

  据介绍，目前，研究团队正以SiSD1为核心基因，通过分子标记辅助选择开展新种质创制与杂交种选育，助力旱区谷子产量迈上新台阶。

  山西农业大学博士研究生王晨燕、赵凯副研究员、张会副教授、已毕业硕士研究生徐晨阳、在读硕士研究生许玉清为共同第一作者。山西省后稷实验室（杂粮生物育种山西省实验室）王拴锁研究员、孔照胜研究员与中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士为论文共同通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后刘蔷、山西农业大学期刊中心王鹏飞、生命科学学院李雪垠副教授、后稷实验室韩渊怀教授参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金专项项目、山西省科技重大专项“揭榜挂帅”项目、国家重点研发计划、山西省重点研发计划及山西农业大学高层次人才启动经费等项目的资助。（记者 宋雅娟）