日本國立研究開發法人農業與食品產業技術綜合研究機構（簡稱，農研機構）農業研究中心大規模水田輪作研究領域的石丸努高級研究員與國際農研生物資源與利用領域的佐佐木和浩首席研究員等人組成的研究團隊，於6月12日宣佈，與高崎健康福祉大學、吉備國際大學、國際水稻研究所（IRRI，菲律賓）合作，發現了控制水稻開花時間的新基因「EMF3」。研究表明，攜帶該基因特定單鹼基置換的水稻，開花時間比通常約早2小時，與在高溫時段開花的常規水稻相比，結實率顯著上升。這種避高溫表徵有望導入全球多數水稻品種，為水稻穩定生產作出貢獻。相關研究成果已發表在《Plant Biotechnology Journal》上。
圖1 鱗被膨脹引起的水稻開花及EMF3基因在花葯中的特異性表達
(a) 鱗被（白色箭頭）的膨脹使水稻花朵開放。（供圖：農研機構）
(b) 通過視覺化基因表現的染色方法，顯示EMF3基因在開花當天花藥中的特異性表達。藍色部分為EMF3基因表現區域（黑色框內）。左側為從穎殼外側拍攝的照片，右側為帶*標記穎殼內部的照片。(b)中白色箭頭指的是鱗被的位置。（供圖：吉備國際大學）
水稻相對耐熱，但灌漿期遭遇高溫會導致白未熟粒增加導致稻米品質和市場價格下降。另一方面，未來氣溫進一步上升可能導致水稻開花期暴露於高溫下，引發不稔——即稻穀無法結實的問題。水稻是全球約半數人口的主食，這一問題被視為全球性課題。
水稻的花朵通過相當於花瓣的鱗被吸水膨脹，使穎殼物理性張開，其中的花葯開裂，花粉從內部散落到柱頭上完成授粉。開花時若遇高溫，花葯開裂不良，會導致授粉失敗形成不稔。
不同品種的水稻開花時間基本固定在上午10點至正午之間，穎殼從張開到閉合約需1小時，且為「一日花」，花朵僅開放一天。開花期最不耐高溫，35℃被視為高溫不稔的閾值。已知完成授粉受精後高溫的影響相對較小。
研究團隊早在2015年利用早花野生稻（Oryza officinalis）進行育種，成功培育出開花時間提早約2小時的水稻品系，並揭示水稻第3染色體上可能存在與早花表徵相關的基因，但未能鑑定出具體基因。
因此，本次研究團隊旨在鑑定出早花表徵的控制基因及其鹼基序列變異。
首先，通過比較早花水稻與普通水稻，發現早花水稻在第3染色體上的一個基因中存在單鹼基差異，並將該基因命名為EMF3（Early Morning Flowering 3）。早花水稻中，該基因第181位鹼基由胞嘧啶（C）置換為胸腺嘧啶（T），相應地，蛋白質第61位氨基酸由白胺酸（L）變異為苯丙胺酸（F）。
第61位為L的普通水稻在上午10時至正午開花，但缺損該基因功能後，開花時間分散在從早晨至傍晚的較寬時間段內。
進一步對攜帶EMF3基因相同突變的日本品種「Toyomeki」突變株系開展開花時間調查，發現第563位氨基酸由蘇胺酸（T）變異為異白胺酸（I）的株系也表現出早花特性。
接下來，團隊研究了高溫條件下早花水稻的結實性。
研究人員在人工氣候室中設定高溫培養條件：上午6時氣溫為28℃，此後逐漸上升，正午達到38℃。在此條件下栽培普通水稻和早花水稻並進行比較。
結果表明，普通水稻在高溫下結實率顯著下降，而早花水稻在氣溫升至35℃之前已完成開花，因此不稔得到抑制。
研究還確認，世界範圍內的水稻品種均不具有早花水稻中第61位和第563位氨基酸突變。研究團隊與IRRI合作，將這一突變通過雜交引入東南亞、南亞、西非栽培的各品種後，所有改良品種開花時間均提前1小時以上，表明該表徵可應用於世界各地的多種水稻。
為探究這一機制，研究團隊檢測了EMF3基因的表達器官，確認其在花葯和花粉中表達。此前認為鱗被控制開花時間，但研究表明花葯可能也發揮重要作用。
石丸高級研究員表示：「今後有望利用這一‘單鹼基突變’，在國內外開發高精度DNA標記分子，加速早花水稻品種的培育進程。本研究為科學地闡明通過花葯中表達的EMF3基因調控開花時間的完整機制提供了重要線索。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Plant Biotechnology Journal
論文：Rice EMF3 alleles adjust flower opening time to enhance the seed setting rate under high temperature stress
DOI：doi.org/10.1111/pbi.70653
