耗时8年攻关！找到稀有点位，破解水稻早熟高产不可兼得难题？

2022年是中国农业科学院中国水稻研究所（以下简称水稻所）研究员张健团队转换研究策略后的第四年，他们在近10万份水稻材料中克隆出和水稻早熟高产密切相关的“顶流明星”——成花素基因的一个家族成员。

早熟高产改良品系田间对比。

可张健团队反而有些沮丧：“明星基因大家都研究得挺多了，还能不能找到它不为人知的功能？”

主攻这一课题的进修学生时限到期，团队科研经费也恰好进入“低谷期”。张健感到，对水稻早熟高产问题的研究走到了一个岔路口。

4年后，2026年8月21日，这项研究成果终于在《科学》发表。他们发现了一个稀有的成花素等位基因TGW1a，可以同时调控水稻熟期和产量，并揭示了作用机制，打破了作物早熟-高产的遗传枷锁。

从永州的田埂到杭州的实验室

从7岁到14岁，张健的每一个暑假几乎都在湖南永州度过。外婆家种了几亩水稻，孩子们暑假里的固定“节目”就是跟着舅舅“双抢”。

夏天的“双抢”就是抢收早稻的同时，还要抢时间种下一季的农作物。每天早上，张健和表兄弟们跟着大人，拿着镰刀去田里割稻子，再将稻子用板车推回家。“那时候最怕下雨。”张健说，有时候正在吃午饭，外婆突然喊“下雨了”，所有人丢下碗筷冲上房顶，把稻谷拢在一起盖上薄膜，防止雨淋后发芽。“双抢”的辛苦，就这样刻进了他的记忆里。

从华中农业大学张启发院士门下博士毕业到在美国密西西比州立大学做了近6年博士后和助理研究教授，再到回国加入水稻所水稻生物育种全国重点实验室，张健研究的主角一直是水稻。

在水稻所，张健最初的研究策略是做反向遗传学，简单说就是抓住一个基因，搞明白它可能的各种功能和生理机制。2018年前后，团队经历了一次关键的科研方向转型——从反向遗传学策略转为正向遗传学策略，专攻自然变异，也就是通过构建遗传群体寻找调控表型的基因和机制。

要定位调控早熟和高产的基因，首先得寻找合适的亲本材料，才有希望在它们的后代中筛选出目标基因。经过几番选择，他们选定了华南及长江流域主栽籼稻黄华占和东北早熟、特大粒粳稻资源吉资1560为亲本，并利用它们重组自交系群体。

张健将吉资1560比喻为水稻里的巨人——普通水稻千粒重只有二十几克，它却有60克，相当于普通人身高1.7米，他3米多。而且吉资1560的生育期比全国大面积推广的黄华占还短十几天。一个提供资源型稀有基因，一个提供生产应用背景，加上籼粳稻之间遗传距离远、多态性高，使它们成为理想的定位群体。

一场与“明星基因”的遭遇战

定位基因的过程远比预期漫长。

张健回忆：“我们配了几套不同的群体来研究这个问题。”由于“早熟高产”是一个复合性状，鉴定比较困难。

“我们要两个性状都找到，而且要由同一个位点调控。”虽然确立了这样的目标，但张健也没有想过一定能得到这样的结果。“我们发现，控制这两个性状的位点刚好在一个位置上。”张健说，“一开始还不相信这么好的事让我们碰到了。”

团队的科研经费进入了“低谷期”。所幸，水稻所领导对这项工作非常支持，后来张健又争取到了国家自然科学基金委的项目，课题得以继续开展下去。

课题的“接力棒”交到了水稻所副研究员李志永手中。“既然是成花素让开花更早的同时产量反而提升，那一定是效率提升了，就像工作时间短了，成果反而多了。”李志永说。

这个直觉，被一个关键试验证实了。试验发现，对水稻幼苗做氮饥饿处理，成花素基因的表达量显著上升；加入氮素后，表达量立刻下降。这是一个典型的氮感知信号。

他们找到了突破口，TGW1a基因编码的类成花素蛋白FT-L1，不仅促进开花，还能直接感知氮素信号，并与氮素利用率核心因子相互作用，以维持后者稳定性，进而促进下游氮素利用相关基因的表达。而氮素利用与作物产量密切相关。这为“顶流明星”成花素赋予了全新的生物学功能。

袁隆平农业高科技股份有限公司水稻首席科学家杨远柱认为，该基因的核心价值不只是使抽穗与成熟期提前，更重要的是可提升植株氮素利用效率，并实现生育期缩短条件下的产量提升。

从产业化角度看，TGW1a的意义尤其体现在对种植制度的适配能力上，有望为前后茬衔接释放关键时间窗口，并降低早熟带来的产量损失风险。“TGW1a有望成为水稻多熟制下早熟高产协同改良的核心功能基因，为提升稻田周年粮食产出能力提供重要的抓手。”杨远柱说。

此后，团队进一步发现了成花素基因TGW1a最精妙的特点，那就是它的“剂量效应”。TGW1a的启动子存在大片段序列差异，可分为3种单倍型——祖先型、籼稻型、粳稻型。它们的表达量呈现粳稻型＞祖先型＞籼稻型的严格梯度。例如，拥有粳稻型基因的水稻，表达量越高，生育期越短、氮素利用效率越高。

团队很快撞上了另一堵墙。成花素基因与一个已被广泛应用的高产基因Gn1a存在紧密的遗传连锁，物理距离仅1.2Mb，重组率只有约5%。“也就是说，它们的每100个后代里面有95个是绑在一起的，只有5个松绑了。”而且两者呈现“此强彼弱”的连锁组合——成花素强则高产基因弱，成花素弱则高产基因强。

“因为高产基因的增产效应更大，育种家更容易选择成花素弱-高产基因强的组合，导致成花素强的等位基因长期在育种中被忽视。”张健说，“育种家无意中选的都是成花素基因比较弱势的版本。”

李志永介绍，他们通过对3000份水稻种质资源和277个现代栽培品种的分析发现，成花素强-高产基因强这种“强-强”优异组合仅占约4%，且主要存在于南亚的aus稻中，在东亚、东南亚等水稻主产区几乎绝迹。

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96%的水稻没用上，改良潜力巨大

“看到4%这个比例，心中既有‘宝藏被埋没了’的遗憾，也有‘机会来了’的兴奋。”张健说，“96%的水稻品种都还没用上这个组合，说明改良潜力巨大。”

他们要做的就是把它们重新引入适合中国南方主栽的品种中。团队通过分子育种手段，将成花素强的基因型导入南方主栽早籼品种中嘉早17、中早39，以及籼型恢复系华占等水稻品种中，进一步筛选出“强-强”组合的改良品种。

2023到2025年，他们连续3年在浙江杭州、广西南宁进行大田区域试验，改良新品系收获期缩短3至8天，产量增加4.2%~11.0%。

“我一开始觉得投子刊肯定没问题。”张健说，“不过，李志永说，‘张老师，我们不着急，那么多年的艰苦工作，咱们一起尝试投《科学》。’我当然支持。投稿非常顺利，10多天就送审了。”

张健团队成员合影

中国科学院院士、作物遗传学家林鸿宣认为，该成果打破了传统作物性状权衡瓶颈，构建了早熟高产协同调控的新范式，从根本上打破了“早熟必减产”的经典育种悖论，破解了传统育种中早熟性状与高产性状难以兼容的技术难题。

“早晚稻两个生态型都验证有效，合在一起能省出十几天茬口时间，这意味着‘稻-稻-油’三熟制真正有了技术支撑。”应杰政说。