作物被人類馴化了上萬年，其花序、小穗、小花等花器官形態(tài)產(chǎn)生了巨大變異，其中最具有代表性的是小穗的最外層花器官—穎殼。在谷物自然進化過程中，種子是需要穎殼來被保護的；然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，種子一直受到人類進行易脫粒的選擇壓力，而被迫形成各種各樣的穎殼狀花器官。這些穎殼狀花器官結構由于影響谷物的脫粒特性而受到強烈地人工選擇，進而使得作物種子的易脫粒特性成為作物穗型馴化過程中的一個典型特征。在一些發(fā)展中國家的谷物品種審定過程中，即使某些品種擁有非常優(yōu)異的農(nóng)藝性狀，但卻由于種子難以脫粒而被并不認為是一個好的品種。此外，控制谷類作物易脫粒特性的遺傳基礎不同，它們的小花和穎殼狀花器官也都形態(tài)各異。因此，總結分析禾本科作物的花器官形態(tài)變異和種子易脫粒性調控網(wǎng)絡對深入了解谷物如何產(chǎn)生適應性的進化具有重要意義。?

文章通過比較具有代表性的七大禾本科作物（水稻、小麥、大麥、谷子、玉米、高粱和薏苡）的花序、小穗、小花以及穎殼等花器官形態(tài)結構的異同點，發(fā)現(xiàn)同屬作物的穗型發(fā)育具有相似性，不同屬的作物則具有特異性。如“水稻三花小穗”的假說中，原來的穎殼退化，兩朵側生小花退化并發(fā)育成堅硬的穎殼狀不育外稃。高粱和玉米的不育小花在進化過程中退化成透明狀或羽毛狀內外稃器官。谷子小穗原來的一枚穎殼發(fā)生退化，而不育小花退化發(fā)育成穎殼狀器官。玉米的雌穗和薏苡在進化過程中，原來的穎殼逐漸退化，而由苞葉變態(tài)發(fā)育成保護種子的外殼。?

文章主要包括五大亮點內容：（1）不同作物已進化出形態(tài)各異的花器官結構和穎殼狀結構，這是由于自然進化和人工選擇的雙重壓力達到的一種平衡結果。（2）不同作物栽培種的易脫粒表型特征不盡相同，其遺傳基礎也并不遵循平行馴化的特點，可能與其各自的起源環(huán)境與選擇壓力有關。（3）谷物易脫粒特性發(fā)生馴化選擇的關鍵基因雖各不相同，但位于相似調控通路的關鍵節(jié)點或功能相近的基因家族中。（4）全面深入總結了谷物易脫粒特性的遺傳基礎和分子調控網(wǎng)絡，包括核心的AP2/ERF、SBP-box和MADS-box家族的轉錄因子、G蛋白、miRNA、TPL蛋白等，為培育易脫粒品種提供理論指導。（5）對未來的農(nóng)作物的易脫粒特性的分子設計育種進行了建議和展望，利用自然優(yōu)異等位基因或基因編輯等快速實現(xiàn)野生物種的從頭馴化。?

該文章是基于中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗研究員團隊去年發(fā)表的關于高粱種子包殼和脫粒性性狀研究的深入研究（Xie et al., 2022, Nat. Commun.）。謝旗團隊近年在作物耐堿脅迫主效基因AT1的分子機制調控研究（Zhang et al., 2023, Science）、創(chuàng)制了首個具有稻花香風味的香高粱（Zhang et al., 2022, J. Integr. Plant Biol.）、揭示高粱抵抗麻雀等鳥害的分子機制（Xie et al., 2019, Mol. Plant）等方面做出了一系列原創(chuàng)性的工作。?

該研究于2023年9月5日于Trends in Plant Science雜志上在線發(fā)表(DOI:10.1016/j.tplants.2023.08.003)，并于12月份作為封面文章見刊。遺傳發(fā)育所植物基因組學國家重點實驗室博士后謝鵬為論文的第一作者，謝旗研究員為通訊作者。該研究得到了中國科學院種子精準設計與創(chuàng)造A類先導專項和國家自然科學基金等資助的支持。?

圖:?七大禾本科作物的花序、小穗、小花形態(tài)結構示意圖?