水稻作为全世界最重要的粮食作物之一，养育着全球半数以上的人口。水稻的高产稳产直接关乎我国粮食安全和农业可持续发展。目前，我国作物遗传育种技术处于表型选择到分子育种的过渡阶段，突破作物传统遗传育种的瓶颈，发展精准高效的分子设计育种，培育高产优质抗逆的作物优良品种已成为农业发展的重大战略需求。水稻产量性状主要由分蘖数、每穗粒数和粒重三个要素构成。它们之间相辅相成。当前，由于作物复杂性状之间的偶联性和权衡效应，导致克隆的一些重要基因未在育种实践中广泛应用，或者只有少数驯化选择相关基因以及部分具有弱突变效应的等位基因被利用，使得品种间同质化严重、遗传多样性降低。因此，如何打破复杂性状之间的偶联性，找到性状之间相互作用及维持平衡的关键节点，进而耦合优异等位变异，有效实现复杂性状的精准改良，是分子设计育种研究亟待解决的关键科学问题。
为了解析作物复杂性状偶联的分子遗传基础，中国科学院院士、中科院分子植物科学卓越创新中心研究员林鸿宣研究组以水稻产量性状关键构成要素每穗粒数和粒型作为切入点，在水稻中克隆了调控每穗粒数和粒型协调发育平衡的重要基因GSN1，在此基础上提出并建立了水稻穗型发育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号通路，并证实GSN1是该信号通路的负调控因子，由此构建了产量性状穗型与粒型协调发育平衡的分子模块GSN1-MAPK（Guo et al. Plant Cell，2018）。研究组进一步通过鉴定水稻关键类受体激酶基因OsER1，建立了调控水稻穗型发育的OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6-DST-OsCKX2信号通路（Guo et al. Plant Cell，2020）。尽管该通路是目前已报道的水稻穗型发育调控较为完整的信号通路，但类受体激酶OsER1上游特异性的小肽配体分子尚不清楚。
3月24日，林鸿宣研究组和清华大学生命科学学院教授柴继杰研究组合作，在《自然-通讯》（Nature Communications）上，发表了题为Optimization of rice panicle architecture by specifically suppressing ligand-receptor pairs的研究论文，揭示了小肽-类受体激酶信号特异性调控水稻穗型发育的分子机制，首次通过特异性抑制小肽配体-受体对打破水稻产量性状之间的偶联性，塑造水稻理想穗型，为作物分子设计育种提供新模块。
2017年，研究组鉴定类受体激酶基因OsER1的功能缺失突变体oser1发现，尽管籼稻丰矮占1号（FAZ1）背景下的oser1突变体表现为粗秆大穗，且抗衰老，但因育性损失，水稻产量并没有提高。由于缺少优良的等位变异或弱突变，复杂性状之间的偶联性带来的权衡效应使得OsER1基因缺少育种价值。研究组思考，除了利用启动子基因编辑大规模创建人工QTL筛选优良的等位变异之外，能否通过其他策略打破复杂性状之间的偶联性和权衡效应，从而塑造高产的水稻理想穗型？
研究组以水稻OsEPF/OsEPFLs基因家族为切入点，系统鉴定了该家族成员基因的表达模式，进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，在籼稻FAZ1背景下通过敲除OsEPFL5、OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9等小肽编码基因，获得了一系列基因功能缺失突变体。这些单突在不同程度上影响了水稻每穗粒数、粒型大小和育性等产量性状。研究通过考察不同突变组合的9种双突表型发现，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9负向协同调控水稻每穗粒数，而OsEPFL5具有正向调控功能。研究考虑到OsER1基因的负向调控功能，推测OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9可能是识别OsER1类受体激酶、特异性调控水稻穗型发育的小肽配体。进一步，研究组与柴继杰研究组合作，通过体外表达和纯化类受体激酶OsER1胞外域和不同成熟肽配体，利用体外和体内生化实验证明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9成熟肽可以识别类受体蛋白激酶OsER1，从而激活下游的MAPK级联信号。同时，遗传上位性分析表明，OsEPFL6、OsEPFL7、OsEPFL8和OsEPFL9作用于OsER1的上游发挥功能。研究发现OsEPFL8基因特异性参与水稻育性的形成，研究考察不同突变组合的5个三突和四突的产量性状发现，虽然三突osepfl6;7;8、osepfl6;7;9、osepfl6;8;9、osepfl7;8;9和四突osepfl6;7;8;9均表现出与oser1突变体类似的表型，但四突osepfl6;7;8;9和oser1突变体的表型近乎一致。研究考察不同突变组合的产量性状发现，由于没有影响水稻的育性，三突osepfl6;7;9单株产量提高了约14.4%，小区测产相较于FAZ1增产约7.3%。研究证明，通过特异性抑制OsEPFL6-OsER1、OsEPFL7-OsER1和OsEPFL9-OsER1配体-受体可以打破水稻产量性状之间的偶联性，从而优化水稻穗型结构，塑造高产的理想穗型。综上所述，该研究不仅揭示了小肽-类受体激酶信号调控水稻花序形态建成的分子机制，并证明了一种合理的分子设计思路即通过特异性抑制配体-受体对来克服复杂性状之间的偶联和权衡效应，为未来作物分子设计育种提供新的分子模块。
研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院、岭南现代农业科学与技术广东省实验室、中国博士后科学基金会等的支持。
