解锁长寿密码：对抗水稻种子老化的“分子盾牌”
解锁长寿密码：对抗水稻种子老化的“分子盾牌”
种子是农业的“芯片”，却也是极其脆弱的“芯片”。全球每年约有25%~33%的种子因贮藏过程中的老化而失去活力，造成的损失超过数十亿美元。
不同物种的种子寿命差异。中国农科院水稻所供图
9月5日，中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室研究员张健团队在国际期刊《科学—进展》（ Science Advances ）发表了研究成果。该研究成功克隆到调控水稻种子寿命的关键基因SL6，并揭示其调节种子脂肪酸组分，抑制膜脂过氧化，从而延长种子寿命的分子机制。
种子世界里悬殊的生命年轮
论文通讯作者张健介绍，种子在成熟后期干燥后会进入休眠状态，可在较长时间里保持活性，被认为是植物维持繁衍的重要机制。然而，储藏过程中，即便轻微的代谢活动就会使种子发生老化，逐渐丧失活力。
由于种子寿命评价指标复杂、研究周期长，种子寿命调控基因（尤其是自然变异的基因型）鲜见报道，遗传机理不明。如何延长种子寿命，一直是种业领域的“卡脖子”难题。
“因生长环境、贮藏环境、种子形态和内含物组分等差异，不同物种的种子寿命存在巨大的差异。”张健说，生长在喜马拉雅南麓的婆罗双的种子寿命仅有几周的时间；而同为豆科植物，花生和大豆的种子寿命约1~2年，绿豆的寿命则可长达5年左右。
而常见的禾谷类作物，如水稻、小麦和玉米的种子寿命在2~5年之间。我国辽宁省普兰店出土的睡莲种子在保存1300多年后仍能保持发芽能力，而在黑海附近出土的海枣种子寿命甚至高达2000多年。“每一粒种子中都隐藏着沉睡与凋零的生命密码。”张健强调。
源自野生稻的驯化馈赠
长期以来，科学界对种子老化的研究多聚焦于“清除自由基”的抗氧化路径。该研究团队另辟蹊径，提出了“源头防御”的新理论。
历经近十年努力，研究团队创立了种子寿命半衰期指标G50，并从耐储籼稻品种黄华占(HHZ)中克隆到主效QTL-qSL6，该基因编码一类脂酰-酰基载体硫酯酶，其核心功能是调控软脂酸(约占稻米脂肪酸20%)的合成。
论文共同第一作者、中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室副研究员王以锋介绍，种子灌浆期发生的干燥胁迫会产生脱落酸（ABA）信号，可以激活SL6基因表达。而SL6就像一个精密的“分子盾牌”，通过重塑种子内部的脂肪酸组分，显著提高饱和/不饱和脂肪酸的比例，有效降低了细胞膜脂双键被氧化的风险，从源头上加固了细胞的“防御工事”，抑制膜脂过氧化损伤。
这一机制突破了传统抗氧化研究范式。这是首次在植物中完整揭示了“恒黏适应性”的分子调控通路，即生物在逆境下主动重塑膜脂组分、以维持膜流动性和黏度稳态的抗逆机制，为理解种子活力衰退提供了全新的视角。
论文共同第一作者、中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室研究员应杰政说，他们还发现，SL6可分为两种单倍型。其中一种为祖先型，源自野生稻，是水稻在驯化过程中为适应高温高湿贮藏环境而保留下来的“长寿秘籍”，主要在籼稻中保留，而在粳稻驯化过程中逐渐丢失。
拓展稻种的贮藏韧性
上述发现不仅解释了籼粳间种子耐贮性差异的遗传基础，也为合成生物学提供了一种全新的高效调控工具。
随后，他们通过转基因方法适度提高SL6表达量，或利用分子育种手段将该基因导入主栽粳稻品种或粳型恢复系亲本。结果发现，这样可有效提升常规稻和籼粳杂交稻种子的半衰期，例如，常规稻种子半衰期提升约27%，杂交稻种子半衰期提升约15%，且不改变主要农艺性状。
“这对于解决我国粳稻及籼粳杂交稻种子仓储过程中易劣变的产业痛点具有巨大的应用价值。”张健说，此外，SL6亦可大幅提升拟南芥和烟草的种子寿命，表明该基因在单、双子叶植物的种子耐储性改良方面拥有广阔的跨物种应用前景。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeg8609