“顶流明星”基因被赋予“早熟又高产”新使命
“顶流明星”基因被赋予“早熟又高产”新使命
2022年是中国农业科学院中国水稻研究所研究员张健团队转换研究策略后的第四年，他们在近10万份水稻材料中克隆到了一个和水稻早熟高产密切相关的基因——众人熟知的顶流明星 成花素 基因的家族成员。
可张健团队反而有些沮丧：“一个明星基因大家都研究挺多了，还能不能找到它尚不为人知的功能？”
与此同时，主攻这一课题的进修学生时限到期，团队科研经费恰恰进入“低谷期”，张健感觉，对水稻早熟高产问题的研究走到了一个“该不该坚持下去”的岔路口。
四年后，2026年8月21日，这项研究的成果终于在《科学》发表。他们发现了一个稀有的成花素等位基因TGW1a，可以同时调控水稻熟期和产量，并揭示了作用机制，打破了作物早熟—高产的遗传枷锁。
早熟高产改良品系田间对比。中国水稻所供图
三位论文审稿人均对该项研究给予高度评价，认为这是水稻产量与生育期遗传基础研究领域的重大进展，对水稻及其他作物的氮素利用率和产量改良兼具原创性理论价值和育种实践应用价值。
从永州的田埂到杭州的实验室
从7岁到14岁，张健的每一个暑假几乎都在湖南永州的外婆家度过。外婆家种了几亩水稻，孩子们暑假里的固定“节目”就是跟着舅舅“双抢”。
夏天的“双抢”就是抢收早稻的同时，还要抢时间种下下一季的农作物。每天早上，张健和表兄弟们跟着大人，拿着镰刀去田里割稻子，再用板车推回家。“那时候最怕下雨。”有时候，正在吃午饭，外婆突然喊“下雨了”，所有人丢下碗筷，哄一下冲到房顶，把稻谷拢在一起盖上薄膜，如果被雨淋泡水发芽就坏了。
最让他期待的奖励，是舅舅在劳作间隙买的一根白糖冰棒或绿豆冰棒。双抢的辛苦，就这样刻进了他的记忆里。
我国南方一直采取多熟制粮食生产，但实际生产中，早稻抢收、晚稻抢种、再接油菜的双抢环节，前后茬口衔接时间极短，劳动强度极大。数据显示，水稻每缩短1天生育期，通常会导致产量下降0.8~1.2%。而双抢就是要给农作物抢出更多的生长时间。
论文通讯作者张健告诉《中国科学报》，理想的办法就是缩短作物的生长周期，让它们早熟，同时又不减产。这也成了破解多熟制茬口矛盾的关键科学问题。
早在1930年，著名遗传学家罗纳德·费希尔（Ronald A. Fisher）就在《自然选择的遗传理论》中提出“生殖生长与营养生长的权衡”理论，指出任何向生殖分配资源的策略，都势必以牺牲生长及后续维持的投入（如抗性、产量）为代价。
张健说，历经近百年，学界迄今尚未厘清植物中生育期调控网络与产量形成通路的耦合因子，遗传认知存在盲区——“早熟与高产”如“鱼和熊掌”，不可兼得。而这一科学难题的特殊之处就在于，必须同时寻找控制两个表型性状（熟期与产量）的调控位点。
从华中农业大学张启发院士门下博士毕业，到美国密西西比州立大学做了近6年博士后和助理研究教授，再到2013年通过中国农科院青年英才计划回国——张健的履历里，水稻一直是他研究的主角。
来到杭州，张健进入了水稻所水稻生物育种全国重点实验室。起初的研究策略是做反向遗传学，简单说就是抓住一个基因，研究明白它可能的各种功能和生理机制。
2018年前后，张健团队经历了一次关键的科研方向转型——从反向遗传学策略转为正向遗传学策略，专攻自然变异，也就是通过构建遗传群体去寻找调控表型的基因和机制。
“我当时想一定要沉住气，去做更大一点的有实际意义的科学问题。”他坦言，“从材料构建到出结果就要四五年时间，但这样做以后的‘天花板’会高很多。”
为了定位调控早熟和高产的基因，首先得寻找合适的亲本材料，才有希望在它们的后代中筛选出目标基因。
经过几番选择，他们选定了华南及长江流域主栽籼稻黄华占（HHZ）和东北早熟、特大粒粳稻资源吉资1560（JZ，千粒重近60g）为亲本，并利用它俩重组自交系群体。
吉资1560就像水稻里的“姚明”，张健形象地说，普通水稻千粒重只有20几克，它却有60克，相当于普通人身高1.7米，它3米多。而且吉资1560的生育期比全国大面积推广的籼稻当家品种黄华占还短十几天。一个提供资源型稀有基因，一个提供生产应用背景，加上籼粳稻之间遗传距离远、多态性高，是理想的定位群体。
一场与“明星基因”的遭遇战
然而，定位基因的过程远比预期漫长。
张健回忆：“我们配了几套不同的群体都来做这个问题”。由于“早熟高产”是一个复合性状——不再是像“高产”只测产量，或者“早熟”只测熟期，两个性状叠加在一起，鉴定本身就比较困难。
“我们要两个性状都找到，而且还要由同一个位点调控。”虽然抱着这样的目标，但张健也没有想过一定就能得到这样的结果。“我们刚好发现，控制这两个性状的位点就在一个位置上。一开始还不相信——哪有这么好的事，我们怎么能碰到了！？”张健说。
经过反复验证，他们才相信确实如此。然而，等他们精确定位了这个基因后，他们又气馁了——这是一个成花素基因家族的成员。
因为成花素是植物学界的“顶流明星”，所有人都知道它调控开花，相关文章发了一篇又一篇。
而主攻这一课题的共同第一作者李冠是“兼职”到课题组进修的，只能在完成本职工作之余开展科研工作，此时她刚好面临四年时限到期的问题。“当时我们确实考虑过发一篇小文章就算了，因为太难做了，时间太长了。”张健回忆。
与此同时，团队的科研经费进入了一个“低谷期”。所幸，水稻所领导对他的工作非常支持，后来他又争取到了基金委项目，支撑着课题继续走下去。
课题的“接力棒”交到了水稻所副研究员李志永手中继续推进。“既然是成花素，它既能让开花更早、产量反而提升，那一定是效率提升了——好比工作时间短了、成果反而多了。”李志永说。
这个直觉，被一个关键实验证实了：把水稻幼苗做氮饥饿处理，成花素基因的表达量显著上升；加入氮素后，表达量立刻下降。这是一个典型的氮感知信号。
他们找到了突破口：TGW1a基因编码的类成花素蛋白FT-L1，不仅促进开花，还能直接感知氮素信号，并与氮素利用率核心因子互作，以维持后者稳定性，进而促进下游氮素利用相关基因的表达。而氮素利用与作物产量密切相关。这为成花素这个经典明星蛋白赋予了全新的生物学功能。
隆平高科水稻首席科学家杨远柱研究员认为，该基因的核心价值并非仅实现抽穗与成熟期提前，更重要的是可提升植株氮素利用效率，并实现生育期缩短条件下产量提升。
从产业化角度看，TGW1a的意义尤其体现在对种植制度的适配能力，有望为前后茬衔接释放关键时间窗口，并降低早熟带来的产量损失风险。“TGW1a未来有望成为水稻多熟制下早熟高产协同改良的核心功能基因，为提升稻田周年粮食产出能力提供重要的抓手。 ” 杨远柱说。