杂交水稻是水稻增产的最重要途径。在水稻杂交制种过程中，高柱头外露率的不育系是提高制种产量的关键。虽然已经报道了大量与柱头外露率相关的数量性状位点，但极少有基因被克隆和功能表征，严重阻碍了不育系柱头外露率的遗传改良和育种效率的提高。因此，挖掘水稻柱头外露率的关键调控基因对提高杂交水稻的制种产量具有重要价值。该研究提出了一种挖掘柱头外露新基因的有效策略，通过对已克隆的粒型基因的系统分析，鉴定到了调控柱头外露率的关键基因GS3、GW8和GS9。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了GS3、GW8和GS9的单突与多突变体，发现gs3/gw8/gs9显著提高籼稻和粳稻的柱头外露率（提升至50%以上）和杂交制种产量，且不影响水稻的生长发育与农艺性状，在杂交稻育种上具有重要的应用价值。研究还探究了突变体柱头外露率提高的细胞与分子基础。本研究为水稻柱头外露率调控机制的解析奠定了重要基础，为高柱头外露率不育系的培育提供了有效策略。
  水稻柱头外露是指柱头在颖花开放时露出并一直留在颖花外部的现象。研究人员将柱头外露的颖花数量占总颖花数量的比率称为柱头外露率（Stigma exsertion rate, SER），是衡量水稻异交能力的关键性状。在杂交水稻制种过程中，杂交制种产量与不育系的柱头外露率正相关。
  前人研究表明，水稻高柱头外露率与水稻的颖花和柱头的长度正相关，与宽度负相关。本研究首先通过对颖花和柱头的发育过程的观察，进一步发现水稻颖花和柱头的发育过程密切相关。因此，为了挖掘水稻柱头外露率的调控基因，本研究对已克隆的调控颖花大小的基因进行了表达、功能及遗传效应的综合分析，筛选出了GS3，GW8和GS9作为候选柱头外露关键基因。这些基因是颖花长度的负调节或颖花宽度的正调节因子，且GS3，GW8和GS9的 表达趋势与柱头的发育趋势一致。更重要的是，它们的功能丧失可以提高谷物质量且不会对水稻的其他农艺性状产生不利影响。
  进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了GS3、GW8和GS9单突，双突和三突突变体，通过对它们的颖花，柱头和柱头外露率表型进行统计分析，发现gs3、gw8和gs9都参与了颖花和柱头的发育调控，影响其长度或宽度，进而提高柱头外露率，而且三突的柱头外露率提高可提升至50%以上。更重要的是，gs3/gw8/gs9对水稻的生长发育和农艺性状无负面影响。
  另外，对三突的颖花和柱头进行了细胞学观察，发现gs3/gw8/gs9促进颖花和柱头细胞的纵向分裂和抑制其横向细胞分裂。转录组分析表明野生型ZH11与突变体雌蕊差异表达基因富集在细胞分裂、微管结合活性、细胞壁重塑等生物学过程中，与细胞学观察结果一致。
  最后，为了验证gs3/gw8/gs9柱头外露率的提升能否增加异交率，研究进一步比较了亲本ZH11与gs3/gw8/gs9分别与刘耀光院士团队创制的“赤晶米”种质的天然异交率，结果表明gs3/gw8/gs9的异交率大大提高。为了验证这些基因的遗传修饰能否增加水稻不育系的杂交制种产量，在低柱头外露率的籼稻不育系Zhu6S（柱头外露率<25%）背景下利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制了这三个基因的功能缺失突变体材料（Edited Zhu6S）。Edited Zhu6S柱头外露率显著提高（60%以上）。进一步对Edited Zhu6S进行田间杂交制种实验，发现Edited Zhu6S杂交制种产量显著高于野生型，相对于野生型（~25%）提高了一半。这些结果显示GS3、GW8和GS9在改良水稻柱头外露率及增加杂交制种产量上的重要应用价值。

Plant Biotechnology Journal, 2023, 21(2): 381-390  DOI: 10.1111/pbi.13959