栽培稻是全球最重要的一年生粮食作物之一，然而其祖先普通野生稻却是一种多年生、匍匐生长的野草状植物。水稻驯化过程中“多年生”性状的丢失一直是未解之谜，更多人期待着能够重新培育“多年生水稻”，实现一次种植、多次收获。北京时间3月20日，一项中国科学家最新研究以封面形式在国际权威学术期刊《科学》发表，找到了水稻丢失的“长寿基因”，也让创制“多年生水稻”成为可能。
这项研究来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心，植物性状形成与塑造全国重点实验室韩斌院士团队和植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）王佳伟研究员团队首次克隆了决定野生稻多年生生活习性的关键基因EBT1，并阐明了该基因座位表达模式的改变是水稻在驯化过程中由多年生向一年生转变的关键。
中国科学家发现野生稻多年生生活习性关键基因，成果登上《科学》封面。 本文图片均为中国科学院分子植物科学卓越创新中心供图
关键基因逆转水稻生命周期
研究团队首先对446份野生稻资源进行了系统的表型考查，发现部分野生稻材料与一年生栽培稻不同，这些植株在种子成熟后并未衰老死亡，而是在节间腋芽处持续萌发出新的侧枝。这些分枝会不断延伸，持续生长，落地后会生根并发育成为新的植株，从而呈现出野草状的表型。也就是在开花后出现发育程序的逆转，重新返回营养生长期（“成花逆转”现象），从而呈现出一种无性繁殖的多年生生活习性。
为了找到决定该多年生表型的关键基因，研究团队以多年生东乡野生稻W1943（Oryza rufipogon，野生稻的一种）与一年生栽培稻籼稻广陆矮四号（GLA4）杂交，构建染色体替换系，开展了正向遗传学研究。利用精细的图位克隆技术，最终定位并克隆到该基因，命名为Endless Branches and Tillers 1（EBT1），意为“无尽的分枝与分蘖”。研究发现，该基因座位由两个串联排列的微小RNA（microRNA）基因——MIR156B和MIR156C组成。
MIR156BC的重置介导了水稻从一年生向营养生长型多年生的转变。
miR156是植物的“年龄开关”，调控了植物的发育进程。经典理论认为，miR156在幼苗期高表达，随着植物年龄的增长，其表达量逐渐降低，从而推动植物由营养生长向生殖生长的转变。出人意料的是，研究团队发现，尽管野生稻MIR156B和MIR156C也遵循类似“随年龄递减”的表达模式，但它们会在开花后分蘖节的腋芽中重新被激活。这种表达状态的重启或重置，使得腋芽能够出现发育程序的逆转，恢复营养生长能力，不断产生新的分蘖，从而呈现出“无性繁殖”的发育模式。进一步深入分析发现，这一独特的重启现象与野生稻EBT1（MIR156B和MIR156C）基因座位的表观修饰状态密切相关。
该位点的野生稻和栽培稻群体基因组遗传变异分析显示，该基因区域在水稻驯化过程中受到人工选择。这意味着，在追求高产和株型紧凑的栽培稻时，人们可能无意中“丢弃”了野生稻的多年生基因。
培育“多年生水稻”，让稻田变“果园”
水稻从“一年生”到“多年生”，描绘的是一种“稻田变果园”的未来愿景。水稻不再需要每年重新耕地播种，而是可以收获之后自行生长。生长周期大概在3-4个月，实现一次种植、多次收获。
韩斌表示，这将在极大程度上节省农民劳力，节约种子资源，同时有利于土壤耕作层的修复和保护，提高水肥利用率。从粮食供应角度，多年生作物的培育将为拓宽我国耕地面积、保障粮食安全提供技术储备。多年生作物适合坡耕地和丘陵山区等低产田场景，是常规一年生作物的有效补充。
在基础研究的基础之上，研究团队通过将EBT1与已知的两个水稻匍匐基因PROG1和TIG1聚合，成功创制出能够复现野生稻野草表型的“类野生稻”植株，该聚合材料具有强大的无性繁殖能力。目前，在研究团队进行试验的海南田间环境中，这一新植株已经存活至少两年。
当然，对“多年生水稻”创制的研究在我国也并非首例。此前，云南大学胡凤益团队开发的多年生水稻品种PR23就入选了《科学》杂志评选的2022年度十大科学突破榜单。同为多年生水稻，有何区别呢？
韩斌对此解释指出，PR23是由多年生非洲长雄野生稻与一年生亚洲栽培稻远缘杂交而来，关键是利用了长雄野生稻所具备的地下茎，这是普通野生稻没有的。此外，两者的遗传机制也不同，且PR23经历了二十余年漫长的传统育种。此次发表的成果则找到了确切的“长寿基因”，并通过近缘杂交明显降低了技术难度，将大幅加速“多年生水稻”的培育进程。王佳伟进一步表示，从研究成果来看，EBT1基因并非水稻独有，因此这种“多年生”的改造理论上至少可以向其他禾本科植物拓展。
谈及“多年生水稻”的口感和产量，研究团队表示培育并未影响种子发育之外的基因，对口感不会有太大影响。虽然单次收获的产量目前无法完全达到栽培稻的水平，但不需反复播种所带来的劳动力减少等其他效益改变，或许能实现更好的平衡。下一步，研究团队也会考虑和育种企业合作，利用最新研究成果筛选出“多年生水稻”品种，在特定区域开展规模化种植，这一过程或将在四到五年内完成。
强强联合的科研合作标杆
早在2018年，研究团队就定位到了EBT1基因，而后近8年时间攻关，让“多年生水稻”的一种全新创制方式成为可能。而对于王佳伟来说，针对miR156基因的研究更是已有20年之久，却没想到在这次科研合作中发现其竟是水稻的“长寿密码”。
“巧合得不敢相信。”王佳伟说，“当时就想拍大腿，看到这个结果的时候你会发现，一切都完美而合理，这就是科学的神奇和美感。”
八年时间里，这项研究完成了多种遗传方法的应用，包括打样、基因编辑、转基因等，多种不同手段试验操作不易，工程量极大。研究方法之外，研究材料的选取也成为该项研究最突出的创新点。学术界对于植物长寿基因的研究由来已久也不乏成果，但在禾本科植物中完成对长寿基因的研究，这还是头一次。
合作团队在讨论课题进展情况。从左至右依次是王佳伟、韩斌、戴冰馨、吕丹凤。
这项科研工作的合作之中，韩斌院士团队长期深耕于水稻遗传学与基因组学研究，拥有丰富的野生稻资源和强大的正向遗传学研究平台；王佳伟团队则在植物发育生物学，特别是植物年龄、再生和多年生领域具有深厚的积累。
两个团队打破学科壁垒，优势互补、共享资源、互通思路，从现象发现到基因克隆，再到机制解析，最终完成了从“定位基因”到“读懂机制”的完整科学故事，充分体现了研究所内部交叉融合、协同创新的科研生态“软实力”，也是跨团队、跨学科合作攻关重大科学问题的标杆案例。
回顾合作科研的进程，韩斌院士形容双方的合作“勤奋而不卷”，并未刻意追求文章发表级别，而是关注研究本身的意义和故事性。他笑着提到两句话——“道可致而不可求”“莫之求而自至”。