2026年6月19日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了我校王拴锁研究员团队的研究论文“A domestication gene links plant architecture and nitrogen metabolism to enhance yield in foxtail millet”。该研究成功克隆了控制谷子株高、分蘖和氮代谢的关键基因SiSD1，首次揭示了SiSD1/sisd1杂合基因型在谷子杂交育种中的增产效应及其氮代谢互补机制，为谷子分子设计育种提供了重要的基因资源和理论支撑。

谷子（Setaria italica）是我国干旱和半干旱地区重要的传统粮食作物，因其抗旱、耐贫瘠、养分利用效率高，被视为应对极端气候变化下粮食安全挑战的理想作物。但是谷子生产中长期存在株高过高、分蘖少、易倒伏等问题，导致单位面积产量远低于水稻、小麦等主粮作物，平均单产仅为2.5–3.5吨/公顷。二十世纪中叶的“绿色革命”已充分证明，通过调控赤霉素（GA）合成与信号转导途径优化作物株型，可显著提升产量。水稻半矮化基因SD1与小麦Rht1的引入，不仅赋予作物抗倒伏能力，还大幅提高了收获指数，从而推动了全球谷物产量的历史性飞跃。然而，在谷子这一重要的旱作C4作物中，是否存在与水稻、小麦类似的绿色革命基因？是否在育种实践中已被应用？回答上述核心科学问题，对于深入解析谷子株型调控的遗传基础、推动谷子分子设计育种具有举足轻重的意义。

针对上述科学问题，该团队组装了矮秆多分蘖高产谷子品种“吨谷”的T2T完整基因组，并在此基础上克隆了水稻绿色革命基因SD1的直系同源基因SiSD1。研究发现，吨谷中SiSD1的单碱基缺失导致移码突变和蛋白质翻译提前终止，使活性赤霉素含量显著降低，在降低株高、增加分蘖的同时优化了氮代谢配置。群体遗传学证据表明，SiSD1在谷子驯化过程中受到选择，拥有关键SNP位点的优异单倍基因型材料赤霉素含量适度降低，呈现粗壮茎秆和大穗表型，并优先保障籽粒产量。尤为重要的是，SiSD1/sisd1杂合基因型在已大面积推广的杂交种中占比高达88.8%，直接验证了这一分子机制在育种实践中的核心价值。该研究还揭示了SiSLR1–SiERFs–SiSD1分子模块对株型建成的精细调控机制。

目前，研究团队正以SiSD1为核心基因，通过分子标记辅助选择开展新种质创制与杂交种选育，助力旱区谷子产量迈上新台阶。

我校博士研究生王晨燕、赵凯副研究员、张会副教授、已毕业硕士研究生徐晨阳、在读硕士研究生许玉清为共同第一作者。山西省后稷实验室（杂粮生物育种山西省实验室）王拴锁研究员、孔照胜研究员与中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士为论文共同通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后刘蔷、我校期刊中心王鹏飞、生命科学学院李雪垠副教授、后稷实验室韩渊怀教授参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金专项项目、山西省科技重大专项揭榜挂帅项目、国家重点研发计划、山西省重点研发计划及山西农业大学高层次人才启动经费等项目的资助。

图1SiSD1在谷子驯化过程中受到选择，协同调控株型与氮代谢

（A）晋谷21（JG21）与吨谷（Dungu）成熟期植株形态比较。（B-E）JG21与Dungu株高（B）、单株分蘖数（C）、单株穗数（D）及单株籽粒产量（E）比较。（F）SiSD1位点精细定位。该基因定位于5号染色体标记PL20与PR20之间的24 kb区间内，吨谷中其编码区第1015 bp处存在单碱基G缺失。（G）携带sisd1纯合等位基因的常规品种与携带SiSD1/sisd1杂合基因型的杂交品种数量统计。（H）JG10、F₁与不育系TA1-2成熟期植株形态比较。（I）谷子驯化过程中SiSD1位点的选择清除分析。（J）SvSD1与SiSD1蛋白与GA12及GA53的分子对接模拟。（K）SiSD1与SvSD1催化生成GA12、GA15、GA24及GA9的体外酶活比较。（L）RIL246-SvSD1与RIL246-SiSD1成熟期植株形态比较。（M-O）RIL246-SvSD1与RIL246-SiSD1株高（M）、单株分蘖数（N）及单株产量（O）比较。（P）RIL246-SvSD1与RIL246-SiSD1中GA1、GA3及GA4含量比较。