Science封面 | 韓斌院士團隊與王佳偉研究員團隊合作發現野生稻多年生生活習性關鍵基因

一年生水稻如何演變為多年生？這一困擾學界多年的謎題近日被中國科學家揭開謎底。在植物界，生命策略千差萬別——我們餐桌上賴以生存的栽培水稻是一年生作物，而它的野生近緣種普通野生稻卻能像多年生植物一樣持續生長、多次繁殖。這種多年生習性在數千年的馴化過程中幾乎完全丟失，但背后的遺傳機制始終是個未解之謎。破解這一密碼，不僅關乎我們對植物進化的理解，更可能為培育“一次種植、多年收獲”的可持續水稻品種打開全新大門。

2026年3月19日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心，植物性狀形成與塑造全國重點實驗室韓斌院士團隊和植物高效碳匯重點實驗室（中國科學院）王佳偉研究員團隊，以封面形式在國際權威學術期刊《科學》（Science）上發表題為《Resetting of a tandem microRNA156 enables vegetative perennial growth in rice》。研究團隊通過野生稻和栽培稻的雜交后代，定位克隆了一個控制水稻多年生性狀的關鍵基因EBT1，揭示了microRNA156通過表觀調控重置表達從而賦予野生稻多年生習性的分子機制。

研究團隊首先從野生稻W1943與栽培稻GLA4構建的染色體片段置換系中篩選到一個特殊材料G43，這個材料在成熟后表現出與野生稻相似的“草狀”特征——主穗成熟后，次生分蘗持續萌發、形成大量不育小穗，葉片變窄。更重要的是，從G43母株分離的小分蘗可以獨立成株，在溫室中存活超過兩年，呈現出典型的多年生特征。圖位克隆發現，這一性狀由位于1號染色體短臂約80kb區域內的兩個串聯排列的MIR156基因（MIR156BC）控制，研究團隊將其命名為EBT1。

通過CRISPR基因編輯技術敲除G43的MIR156BC基因后，多年生性狀完全消失，轉化植株恢復為正常的一年生形態。而將野生稻的EBT1基因導入栽培稻GLA4后，轉基因植株重現了G43的多年生特征——主莖正常結實，但開花后在節間萌發的次生分蘗呈現花逆轉結構，持續產生無效分蘗。這表明EBT1確實是控制多年生性狀的關鍵基因。

miR156通過抑制其靶基因SPL家族成員調控植物的幼年向成年轉變。研究團隊在G43中分別過表達SPL14和SPL17，發現兩種轉基因植株的無效分蘗顯著減少，單株產量恢復約30%，證實miR156-SPL模塊在多年生調控中的核心作用。這也解釋了為什么野生稻雖然壽命長，但產量遠低于栽培稻——過多的無效分蘗消耗了大量營養。

比較G43和GLA4的EBT1啟動子序列，研究團隊鑒定出11個關鍵SNP差異，這些差異集中在-967至-131 bp區域。通過CRISPR對這區域進行編輯，獲得了一系列MIR156BC表達量梯度變化的株系，次生分蘗數量與基因表達水平呈現正相關。進一步通過ATAC-seq和CUT&Tag技術發現，G43中EBT1基因上游存在一個染色質開放區域，且抑制性表觀標記H3K27me3水平顯著低于GLA4，這解釋了野生稻MIR156BC在花后能夠重新激活的分子基礎。

通過構建EBT1啟動子驅動的熒光報告系統，研究團隊動態追蹤了MIR156BC的表達變化。在G43背景中，MIR156BC啟動子活性呈現“U型”變化——苗期高表達，隨著植株老化逐漸降低，但在開花后萌發的次生分蘗芽中再次激活，且信號強度甚至超過苗期。而GLA4啟動子驅動的報告系統在花后次生分蘗中熒光信號微弱，證明啟動子區的差異決定了MIR156BC的重置能力。

對全球870份水稻種質的基因組分析顯示，EBT1基因在栽培稻中的核苷酸多樣性顯著低于野生稻（野生稻π=0.00601，栽培稻π=0.0026），提示該基因在馴化過程中經歷了強烈選擇。單倍型分析發現，Hap4和Hap5主要存在于具有多年生特性的普通野生稻中，而Hap1、Hap2和Hap3則與一年生的尼瓦拉野生稻和栽培稻相關，表明人類在馴化過程中有意選擇了不利于多年生的EBT1等位基因。

最后，研究團隊嘗試將匍匐生長基因PROG1、分蘗角度基因TIG1與EBT1進行聚合，成功創制出“類野生稻”材料。這些材料不僅具有大的分蘗角度、匍匐生長習性，部分側枝還能水平生長并在節上扎根，離體培養后可再生新植株。在海南熱帶地區，這些類野生稻植株可存活至少兩年，基本實現了栽培稻向多年生習性的“逆轉”。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心韓斌院士和王佳偉研究員為論文的共同通訊作者，在站博士后戴冰馨（已畢業上海科技大學聯合培養博士）、高級工程師呂丹鳳和已畢業博士生陳二旺為論文的共同第一作者。該研究受到國家自然科學基金、國家農業農村部重點研發項目、中國科學院先導專項、上海市科委和新基石研究員項目的資助。

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