水稻是全球種植最廣泛的主糧作物之一，為全球一半以上人口提供約20%的日常熱量攝入。然而，目前廣泛栽培的水稻屬于一年生作物，每年都需要重新播種，而其野生近緣種則多為多年生植物，能夠年復一年開花并持續(xù)從植株基部長出新芽。

一項發(fā)表于《Science》的最新研究顯示，科學家在野生稻（Oryza rufipogon）中找到了決定多年生特性的關鍵遺傳因素，并成功將相關基因導入栽培稻（Oryza sativa），培育出具備多年生生長能力的水稻材料。研究團隊認為，當今栽培水稻很可能源自多年生祖先，但在長期馴化過程中，其再生能力逐漸喪失。

為追蹤這種多年生特性，中國科學院遺傳學家韓斌及其同事對446份野生稻樣本與栽培稻材料進行了比較分析。他們在水稻第1號染色體上鎖定了一個名為“無盡分枝與分蘗1”（Endless Branches and Tillers 1，簡稱EBT1）的基因組區(qū)域，該區(qū)域包含兩個調(diào)控基因microRNA156的拷貝，分別被標記為B和C。

研究表明，在幼苗階段，這段microRNA156 B和C序列高度活躍，能夠將植株維持在營養(yǎng)生長期，使其持續(xù)長葉、長莖而不急于進入生殖發(fā)育。隨著植株成熟，這一活性逐漸減弱，在普通栽培稻中意味著植株完成開花結實后生命周期即告結束，而在野生稻中，這一基因區(qū)域在開花后會被“重置”，從而讓植株再次恢復營養(yǎng)生長而不是徹底衰亡。

研究團隊進一步將野生稻與栽培稻進行雜交，以觀察相關基因在活體植株中的功能表現(xiàn)。在眾多雜交后代表型中，科研人員選出一份編號為G43的材料，該材料在開花后表現(xiàn)出停止生殖發(fā)育并重新啟動營養(yǎng)生長的能力。

在恢復營養(yǎng)生長的過程中，G43會從植株基部大量長出被稱為“分蘗”的側枝。通常，一株普通水稻在從拔節(jié)到抽穗、結實直至死亡的生命周期中大約產(chǎn)生10個分蘗，而G43平均可產(chǎn)生超過70個分蘗，顯著體現(xiàn)出多次再生和擴株能力。

不過，這種“無盡分蘗”目前也面臨明顯局限：這些二次生長形成的側枝大多為不育分蘗，只會長出異常花而無法產(chǎn)生種子。研究團隊認為，要獲得真正可大規(guī)模推廣的多年生栽培稻，還需要在基因組其他位置進一步導入或調(diào)控相關基因，以實現(xiàn)既能多年再生，又能保持充分結實的品種。

來自農(nóng)業(yè)基因組研究機構的植物遺傳學家普拉特（Salomé Prat）在接受《Refractor》采訪時指出，目前EBT1位點在帶來多年生特性的同時，也抑制了水稻的正常開花，從而降低了產(chǎn)量。她解釋說，在該等位基因中，相關基因在開花之后會在分蘗芽中再次被激活，推動新分蘗形成，但這也意味著生殖階段受到壓制。

加州大學戴維斯分校植物生物學家杜布科夫斯基（Jorge Dubcovsky）則提醒，這種基因編輯水稻短期內(nèi)“難以很快走向公眾”。他指出，從廣泛農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度看，多年生作物往往單產(chǎn)低于一年生作物，在全球人口持續(xù)增長的背景下，人類恐怕難以承受用產(chǎn)量較低的多年生作物大規(guī)模取代現(xiàn)有高產(chǎn)一年生主糧，即便前者在生態(tài)和可持續(xù)性方面具有優(yōu)勢。

盡管前景與挑戰(zhàn)并存，這項研究仍被視為水稻遺傳改良領域的重要進展，為通過分子育種手段培育可多年收獲的栽培水稻提供了關鍵線索。如果未來科學家能夠在不明顯犧牲產(chǎn)量的前提下，將多年生特性穩(wěn)定導入主栽品種，水稻種植體系有望在減少播種、節(jié)約勞力與資源、改善土壤和生態(tài)環(huán)境等方面迎來深遠改變。