来源：Sci Rep | 编译：DNA Lab Space
极端天气频发，水稻灌浆期遇台风暴雨便成片倒伏。韩国主栽品种“三广”（Samkwang）株型偏高，倒伏风险尤为突出。一项新研究用CRISPR/Cas9在该品种中敲除SMXL4基因，获得株高显著降低、生长稳定的编辑系。这为保留优良遗传背景下的抗倒伏改良提供了直接材料。
研究背景
水稻倒伏不仅造成减产，还影响稻米品质和机械收割效率。气候变化背景下，成熟期遭遇强风暴雨的频率上升，倒伏问题愈发严峻。韩国广泛种植的“三广”品种食味优良、农艺性状稳定，但株高偏高，抗倒伏能力不足。
传统育种改良株高往往需要多代回交，耗时且可能引入不良连锁性状。CRISPR/Cas9基因编辑技术可在保持优良品种遗传背景不变的条件下，精准改造目标基因，大幅缩短育种周期。SMXL家族（SUPPRESSOR OF MAX2 1-LIKE）参与植物分枝、株型建成等过程，但第Ⅳ分支成员SMXL4在水稻中的功能此前未见系统报道。该研究从大规模CRISPR/Cas9编辑群体中筛选SMXL4突变体，评估其对株高和产量性状的影响。
研究方法
植物材料与田间种植
研究团队从韩国国立农业科学研究院（NIAS）获得一个T1代水稻群体，该群体以“三广”为背景，利用CRISPR/Cas9编辑多个转录因子基因，共104个株系。2022年4月25日播种，5月23日移栽至NIAS试验田，每行一个株系、每行20株，株距20厘米、行距30厘米。从该群体中筛选生长良好且株型矮化的SMXL4（Os04g0298700）编辑株系。
产量性状评估于2023年进行：T2代smxl4种子5月8日播种，6月5日与“三广”同期移栽至同一试验田，采用随机完全区组设计（RCBD），3次重复，每重复8行、每行20株，株行距同上。为验证突变位点的遗传稳定性，T3代smxl4与野生型“三广”杂交自交产生F2分离群体（n=84），2025年6月8日播种、6月27日移栽于同一试验田。其他栽培管理按韩国农村发展管理局标准水稻栽培规程执行。
表型调查
2022年在T1群体（104个株系）中测定抽穗天数（DTH）、秆长（CL）、穗长（PL）和穗数（PN）。DTH记录为从移栽到约40%植株抽穗的天数；CL、PL和PN在成熟期从每行随机取5株测量。2023年，在整个生育期每两周测量一次“三广”和smxl4的株高，每重复至少测量3株。
基因编辑验证
对smxl4和“三广”的靶标gRNA区域进行PCR扩增和测序，确认smxl4在SMXL4第一外显子第861位核苷酸处存在1 bp插入，导致移码突变。在T1姊妹系中进行无Cas9筛选，选出一个不含Cas9的株系smxl4-2-2用于后续实验。脱靶分析方面，利用Cas-OFFinder预测315个潜在脱靶位点，对排名前八的候选位点进行Sanger测序，所有检测位点均未发现脱靶突变。
转录组分析
研究团队对孕穗期和抽穗期伸长节间进行转录组测序，比较smxl4与“三广”的基因表达差异。原文摘要未详述RNA提取方法、测序平台、差异表达基因筛选阈值等具体参数（如log2FC截断值、FDR标准）。
研究结果
SMXL4基因编辑系筛选与鉴定
从104个T1株系中，研究团队筛选出SMXL4编辑株系（smxl4），其秆长70.2厘米，比“三广”短17.7厘米，且生长稳定。这一株高降幅相当于“三广”秆长的约20%，幅度相当可观。
基因结构分析显示，SMXL4位于4号染色体，由3个外显子和2个内含子组成，编码序列（CDS）长度3,195 bp，编码1,064个氨基酸。突变鉴定证实smxl4携带1 bp插入，位于第一外显子第861位核苷酸，造成移码突变。无Cas9筛选获得纯合编辑且不含Cas9元件的株系smxl4-2-2，消除了后续转基因沉默或脱靶编辑的隐患。脱靶检测中，315个预测脱靶位点中排名前八的位点经Sanger测序全部干净，未发现任何脱靶突变。
smxl4农艺性状表现
与“三广”相比，smxl4表现出多维度性状变化：株高降低，节间长度缩短，穗长变短，每穗粒数减少，粒重下降；但单株穗数增加。原文摘要未提供这些性状的具体数值对比（如节间长度缩短百分比、每穗粒数减少数量、粒重降低幅度、穗数增加数值），但明确指出了变化方向。
株高动态监测数据显示，2023年整个生育期内smxl4的株高持续低于“三广”，每两周一次的测量记录了这一差异。这一结果说明矮化表型在整个生长周期中稳定表达，并非某一发育阶段的暂时现象。
转录组变化
对孕穗期和抽穗期伸长节间的转录组分析显示，与“三广”相比，smxl4中与细胞壁重塑和防御反应相关的基因表达上调。细胞壁重塑基因的上调可能与矮化表型相关——节间细胞壁成分或结构的改变可能影响茎秆机械强度。防御反应基因的激活则暗示SMXL4可能参与更广泛的胁迫响应调控网络。原文摘要未提供具体差异表达基因名称、数量及变化倍数。
遗传稳定性
F2分离群体（n=84）的构建和表型分析验证了smxl4突变位点的孟德尔遗传规律。原文摘要未详述F2群体的表型分离比数据。
图1 SMXL4基因编辑验证。(A) SMXL4基因结构及CRISPR-Cas9编辑靶点示意图；(B) Samkwang（WT）与smxl4的SMXL4 DNA序列分析；(C) 无Cas9筛选结果。
图2 smxl4与Samkwang农艺性状比较。株高、节间长度、穗长、每穗粒数、粒重及单株穗数的对比数据。
图3 孕穗期和抽穗期伸长节间转录组分析。smxl4相对Samkwang的差异表达基因，细胞壁重塑和防御反应相关基因上调。
讨论与展望
SMXL4在水稻中的功能此前近乎空白。该研究用CRISPR/Cas9在“三广”背景中敲除SMXL4，获得了秆长缩短17.7厘米的稳定编辑系，直接证明了SMXL4参与水稻株高调控。矮化伴随穗长、每穗粒数和粒重下降，但单株穗数增加，这种“此消彼长”的性状关联提示SMXL4可能通过影响源库关系或激素信号通路，在多个产量性状间发挥多效性调控作用。
细胞壁重塑基因的上调是一个值得注意的线索。茎秆机械强度与细胞壁成分密切相关，如果矮化伴随细胞壁加固，那么smxl4的抗倒伏能力可能不仅仅来自株高降低。防御反应基因的激活则暗示SMXL4可能参与生物胁迫响应，这一点在后续研究中值得进一步验证。
从育种角度看，smxl4-2-2株系无Cas9元件、无脱靶突变，遗传背景与“三广”几乎一致，是理想的中间育种材料。但每穗粒数和粒重的下降是实际生产中必须面对的问题——单株穗数的增加能否弥补单穗产量的损失，需要田间实收产量数据来回答。原文摘要未提供产量数据，这是该研究后续需要补充的关键信息。
SMXL4作为矮化育种新靶点的价值已经显现，但距离品种审定和推广还有很长的路要走。产量性状的精细权衡、不同遗传背景下的表型稳定性、抗倒伏能力的直接力学测定，都是下一阶段需要回答的问题。
参考来源
Kim Y, Jun Y, Han J, Choi S, Kim H. CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of SMXL4 alters plant height and yield-related traits in rice (cv. Samkwang). Sci Rep. PMID: 41792204.
PMID: 41792204