近日，中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室张健团队在Science杂志发表了题为“TGW1a locus simultaneously shortens growth duration and boosts grain yield in rice”的研究成果。该研究克隆到一个同时调控水稻熟期和产量的稀有等位基因TGW1aJZ，揭示了其编码的类成花素蛋白通过耦合“开花时钟”与氮素利用效率（NUE）打破作物“早熟-高产”遗传枷锁的分子机制，明确了作物“早熟高产”实质是熟期与NUE的平衡，为培育早熟高产品种提供了理论依据和基因资源。中国水稻研究所李志永副研究员、李冠副研究员为论文共同第一作者，张健研究员、应杰政研究员为论文共同通讯作者。这是中国水稻研究所首次以第一单位、第一完成人在国际顶尖刊物上Science期刊发表原创科研成果。
2023年中央一号文件指出：“推动南方省份发展多熟制粮食生产”，鼓励在北纬28.5°以南地区推行“稻-稻-油”等多熟制耕作模式，通过提升耕地复种指数保障粮食安全。然而在实际生产中，“早-晚稻”或“水稻-油菜”的茬口期短、劳动强度大，限制了多熟制轮作模式推广应用。
培育短熟期、高产量的品种是解决这一难题的重要举措。然而，早花会缩短营养生长期，进而降低生物量的积累和产量。以水稻为例，每缩短1天的熟期通常会导致产量下降0.8-1.2%。破解“早熟与高产”的生产困局，既是农业科学持续百年的经典命题，也是育种领域孜孜以求的攻关方向。
研究团队创制了籼稻品种黄华占（HHZ）和早熟、特大粒粳稻资源吉资1560（JZ）为亲本的重组自交系群体，在1号染色体上定位到同时赋予水稻早熟和高产特性的主效位点qTGW1a。TGW1a基因编码一个类成花素蛋白FT-L1，是水稻体内诱导开花的决定性信号。此外，TGW1a蛋白还能直接感知氮素信号，并增强水稻对氮素的吸收和利用。这一结果明确了成花素蛋白是协同调控水稻开花、NUE与产量三大性状的核心“枢纽”。
不同水稻品种的TGW1a可分为3种类型：祖先型TGW1aJZ，籼稻型TGW1aHHZ和粳稻型TGW1aNIP。TGW1a的表达量存在精妙的“剂量效应”，表现为TGW1a在缩短熟期的同时提升NUE，导致熟期与NUE的“此消彼长”。据此，TGW1a调控下的熟期、NUE与产量三者的关系可推导为2个公式。（1）熟期和NUE的贡献系数表现为此消彼长的“跷跷板”效应，ITime + INUE = K（恒定值）。（2）产量（Yield）表现为熟期与NUE的乘积，Yield = ITime × INUE。基因表达量过高或过低，都会导致ITime 和 INUE的失衡，TGW1aJZ 表达量适中，则可以得到优化的产量结果。
此外，“早熟高产”是一个农艺学术语，在生物学研究中容易将其误解为熟期与产量性状的权衡关系。本研究显示，早熟高产的实质是成花素蛋白介导的熟期与NUE的权衡，而产量则是两种因素权衡的最终结果，为早熟高产性状研究提供了新范式。
TGW1a与高产基因Gn1a存在紧密的遗传连锁，且大多数品种携带的是“此强彼弱”的遗传连锁组合。育种家在分子改良中选择携带TGW1aJZ-Gn1aHHZ强-强组合的aus稻作为供体亲本，或者将Gn1a与TGW1a的遗传连锁打破，才能有效地应用TGW1aJZ。
研究团队通过分子育种手段将TGW1aJZ导入南方主栽早籼品种中嘉早17和中早39，以及籼型恢复系华占和R173中。2023年-2025年连续3年在浙江杭州、广西南宁进行大田区域实验，发现改良新品种收获期缩短了3-8天，产量提升了4.2-11.0%。改良的华占配制的杂交组合F1代也表现出明显的“早熟高产”特性。这些结果表明，TGW1aJZ可在常规早籼稻和杂交晚稻两个不同生态型品种中实现“早熟高产”，为多熟制轮作模式推广应用提供了综合解决方案。
文章链接：
https://doi.org/10.1126/science.ady1619
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