作物种子包壳性状的丧失是作物穗型驯化过程中的一个典型事件。作物野生种通过携带的包壳性状抵御外界的侵袭，进而保证自身的繁衍，然而这种包壳性状极大地不方便人工或机械化的种子脱粒、加工和播种过程，因此被人类选择成不包壳（裸粒）的性状。高粱是人类最早栽培的禾本科作物之一，高粱种子的包壳性状具有丰富的表型变异，其中粒用的籽粒高粱亚种多表现为裸粒。早在80多年前，学者就将包壳性状作为区分高粱各亚种的一个典型指标，但目前关于高粱包壳性状的分子遗传基础仍然是一个空白。
中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究组利用遗传学、生物信息学和分子生物学等手段，揭示了一个主效基因GC1（Glume Coverage 1）位点的变异导致了高粱种子裸露性状的产生。GC1是一个负调控包壳性状的关键因子，其蛋白的C端截短突变可能是通过减少其被26S蛋白酶体途径介导的降解，导致截短蛋白gc1显著积累。一个马铃薯糖蛋白相关磷脂酶SbpPLAII-1可能作为GC1下游信号的一个关键组分来发挥功能，其可以通过上调Cyclin-CDK通路相关基因的表达来促进颖壳细胞增殖。因此相对于GC1而言，在体内更稳定的gc1-a能促进更多的SbpPLAII-1降解，进而抑制SbpPLAII-1的功能，最终降低高粱的包壳程度。
综上，该研究鉴定了一个控制高粱包壳性状的关键基因GC1，其截短突变的类型使高粱种子的脱粒效率提升了60%，并揭示了高粱穗型驯化过程中包壳性状发生变异的分子机理。目前在禾谷类作物中，仍然有近40%的高粱、大部分谷子以及糜子等种质资源材料表现为严重的包壳性状，利用截短的GC1等位基因将为高粱、谷子及糜子等禾本科作物的裸粒育种提供理论支撑。
该研究于2月25日在线发表于Nature Communications杂志。该研究得到中科院种子精准设计与创造A类先导专项和国家自然科学基金-山东联合基金等的支持。
高粱种子的包壳性状具有非常丰富的表型变异
GC1控制高粱包壳性状的分子机制模型
日期：2022-03-01
