W badaniu opublikowanym w Rośliny natury, prof. Li Yunhai z Instytutu Genetyki i Biologii Rozwoju (IGDB) Chińskiej Akademii Nauk oraz prof. Zhu Xudong i Wang Yuexing z Chińskiego Narodowego Instytutu Badań nad Ryżem zidentyfikowali idealny gen małego rozmiaru ziarna, GSE3.

Wykazali, że w pełni zmechanizowaną produkcję nasion hybrydowych i zwiększoną liczbę nasion można osiągnąć przy użyciu alleli drobnoziarnistych GSE3 w liniach męskosterylnych.

Technologie hybrydowe upraw przyczyniły się do znacznej poprawy plonów na całym świecie. Plony ryżu wzrosły o 20–30% w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci dzięki zastosowaniu ryżu hybrydowego, co zwiększyło bezpieczeństwo żywnościowe. Obecnie pracochłonne, ręczne etapy produkcji nasion hybrydowych F1 utrudniają pełną mechanizację hodowli ryżu hybrydowego.

Obiecującym podejściem do osiągnięcia tego celu jest opracowanie linii męskosterylnych drobnoziarnistych i linii regenerujących wielkoziarniste, które umożliwiają mechaniczne oddzielanie małych nasion hybrydowych F1 od mieszanych nasadzeń tych dwóch linii za pomocą prostego przesiewacza. Idealna linia męskosterylna drobnoziarnista powinna również mieć minimalny negatywny wpływ na liczbę nasion hybrydy F1 i plon ryżu hybrydowego w próbach polowych.

Tianyouhuazhan (TYHZ) to elitarna hybrydowa odmiana ryżu, która jest szeroko uprawiana w Chinach od dziesięcioleci. Tianfeng A (TFA), Tianfeng B (TFB) i Huazhan (HZ) to odpowiednio linie męskosterylne, podtrzymujące i odnawiające TYHZ. Naukowcy skrzyżowali TFB z różnymi odmianami ryżu drobnoziarnistego i z powodzeniem wyhodowali idealną linię drobnoziarnistą podtrzymującą Xiaoqiao B (XQB) i odpowiadającą jej nową linię męskosterylną, Xiaoqiao A (XQA).

Ponadto, wielkoziarnista odmiana indica Kuangsijiadi została skrzyżowana z linią przywracającą HZ, aby stworzyć linię przywracającą gruboziarniste Da Huazhan (DHZ). Próby terenowe wykazały, że kombinacja środka przywracającego sterylność męską XQA-DHZ umożliwiła w pełni zmechanizowaną produkcję ryżu hybrydowego, zwiększyła liczbę nasion hybrydy i nie miała wpływu na plon ryżu hybrydowego.

Naukowcy ustalili, że gen GSE3 jest odpowiedzialny za fenotyp drobnoziarnisty w XQA i XQB. Jednocześnie przeprowadzili wielkoskalowe badania przesiewowe mutagenezy, aby zidentyfikować geny umożliwiające hodowlę idealnych linii męskosterylnych drobnoziarnistych i wyizolowali m238, mutanta o małych ziarnach i zwiększonej liczbie ziaren bez uszczerbku dla innych cech agronomicznych. Dalsza analiza ujawniła, że ​​m238 był nowym allelem GSE3.

Ponadto przeprowadzili edycję genomu genu GSE3 w trzy- i dwuliniowych systemach hybrydowych ryżu przy użyciu technologii CRISPR-Cas9, co doprowadziło do w pełni zmechanizowanej produkcji nasion hybrydowych i znacznie zwiększonej liczby nasion hybrydowych. Odkryli również, że GSE3 koduje powiązane z GCN5 białko podobne do N-acetylotransferazy, które wpływa na poziom acetylacji histonów.

GSE3 jest rekrutowany przez czynnik transkrypcyjny GS2 do promotorów swoich współregulowanych genów wielkości ziaren i wpływa na stan acetylacji histonów swoich współregulowanych genów, regulując w ten sposób wielkość ziaren.

Badanie to wyjaśnia, że ​​zmechanizowaną produkcję nasion hybrydowych można osiągnąć w przypadku niektórych elitarnych hybrydowych odmian ryżu jedynie poprzez edycję genu GSE3 w liniach męskosterylnych, gdy różnica w grubości ziaren między liniami przywracającymi a liniami męskosterylnymi jest stosunkowo duża.

W przypadku innych elitarnych hybrydowych odmian ryżu, zmechanizowaną produkcję nasion hybrydowych można osiągnąć poprzez edycję genu GSE3 w liniach męskosterylnych oraz genu GS2 o dużych ziarnach lub innych genów o dużej wielkości ziaren w liniach przywracających. Sugeruje to nową perspektywę dla zmechanizowanej produkcji nasion hybrydowych w innych ważnych uprawach.