复粒小穗是禾本科作物中普遍存在的现象，其表现为成熟期的一个小穗内产生两粒或多粒的正常种子，具有提高作物穗粒数和产量的潜力。高粱是世界第五大禾谷类作物，养活了世界半干旱或半湿润地区5亿多的人口，如何提高粱产量一直以来都是高产育种的重要目标。高粱复粒小穗现象已发现了近百年，但关于高粱复粒性状的遗传基础仍大部分未知。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗课题组联合中山大学农业与生物技术学院谢鹏课题组在JIPB杂志发表了题为“Natural variations in Multi-Grain Spikelet 1 enhance grain number in sorghum”的研究论文。该研究鉴定了一个MIKC型MADS-box转录因子MGS1，MGS1突变之后高粱单个小穗内形成两个独立分离且正常发育的种子，能够大幅度增加单株穗粒数，为高粱高产的分子设计育种奠定理论基础。 
图1. 高粱MGS1控制复粒小穗的遗传基础与发育机制
复粒小穗种质资源9E表现出73.7%的双粒小穗，研究人员首先通过遗传分析发现其复粒表型受到单隐性基因的控制，随后通过联合BSA-Seq和图位克隆方式定位到了MGS1基因，其编码一个单子叶植物特有的MIKC型MADS-box蛋白，与水稻OsMADS32同源。在野生型高粱中通过基因编辑敲除高粱MGS1，纯合编辑T1代植株中观察到复粒小穗现象，验证了MGS1基因的负调控功能。另外还发现相比于野生型，编辑植株的部分小穗在最后一轮花器官处形成额外组织，进一步揭示了MGS1在调控高粱小穗的花序分生组织确定性方面的重要作用。此外，扫描电镜和原位杂交结果显示该复粒小穗性状是由于上位小花分化成两个相邻雌蕊而产生的。遗传分析显示另一份复粒种质资源BA45的复粒性状也是由MGS1的不同等位变异造成的。产量试验显示相比于MGS1野生型，mgs19E和mgs1BA45的优异自然等位基因分别增加43.1%和33.7%的穗粒数。综上所述，该研究鉴定了控制高粱复粒性状的MGS1基因，并发现mgs1在提高高粱穗粒数方面的潜力，为高粱高产的分子设计提供了重要基因资源。
谢旗课题组已毕业博士生张丹和创新研究员唐三元为该论文的共同第一作者，谢旗研究员与中山大学农业与生物技术学院谢鹏副教授为该论文的共同通讯作者。谢旗课题组博士生赵康旭和中山大学农业与生物技术学院刘方圆博士补充了后期实验数据。本研究得到国家自然科学基金、国家高层次人才特殊支持计划、国家重点研发计划和中国科学院先导项目等资助。
