植物的種子不僅對植物的繁殖起着重要作用，也是人類重要的食物來源。種子與人們的生活密切相關。我們日常食用的米、面都來自不同農作物的種子，例如大米是水稻的種子，而面粉是由小麥的種子加工而來。種子的大小直接影響作物産量，所以人們通常希望作物的種子長得越大越好。

種子一般由種皮、胚和胚乳3部分組成，有的植物成熟的種子隻有種皮和胚兩部分，胚乳很小或者沒有。有些植物的種子外有堅硬的果皮，種皮則隻是一層膜質結構。不同植物的種子大小、形狀和顔色千差萬别，但是同一物種的種子大小相對穩定，這是因為種子的大小受到遺傳因素的控制。不同植物所攜帶的遺傳基因不同，這些基因的協調作用形成多種信号，來調控種子生長到一定的大小就停止生長。因此要想改變種子的大小，就需要改變這些基因的組合。

人類的祖先最早是采集野生的種子作為食物的，後來人類對所采集的植物有了認識，漸漸地開始選擇一些植物進行栽培。人類在栽培這些植物的過程中，也學會了有意識地選擇一些優良的品種，例如種子大、産量高、生長期短等等。經過上萬年的栽培和選擇，現代的農作物與它們的野生祖先比起來已經大不相同了。例如我們現在吃的小米（小米是谷子的種子去皮而來），它的祖先就是野外常見的狗尾草。與它的祖先相比，現在的谷子種子大得多，産量也高得多了。但是這個培育的過程相當漫長。

為了獲得更多的優良品種，現代育種家将多個品種的作物相互雜交，在雜交後代中選擇和培育新的品種。被譽為“世界雜交水稻之父”的袁隆平先生就是利用這個方法培育水稻新品種的。通過雜交法培育新品種雖然加快了新品種作物的馴化過程，但是仍然難以滿足不斷變化的氣候環境和城鎮化的發展對農作物品種選育提出的新要求。

随着科技的不斷發展，人們已經可以将分子生物學技術應用于育種中，大大加快育種的進程。分子育種技術可以在品種選育過程中利用特異的分子标記加快對後代性狀的選擇，将控制種子大小的優良基因與控制産量、品質和抗病、抗逆性狀的基因選擇性地聚合到一個品種中，形成種子更大、口感更好、産量更高、抗病耐逆的高産優質新品種。

利用分子育種技術的前提，是我們要了解哪些基因控制了種子大小、産量和品質，了解這些基因的作用機制。這樣育種家才能通過選擇和改造這些基因獲得高産優質的新品種。近年來，科學家們對于種子大小調控機制的研究不斷深入，鑒定了很多控制種子大小的調控基因。這些研究為分子育種提供了重要的理論基礎。

2019年2月22日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所李雲海研究組應邀在植物學權威綜述期刊Annual Review of Plant Biology上發表了題為Molecular networks of seed size control in plants的綜述文章(DOI:10.1146/annurev-arplant-050718-095851)，系統總結了國内外研究者在種子大小調控機制方面的研究進展。

種子的最終大小取決于種皮、胚和胚乳的協同生長。其中，種皮來源于母體，屬于母體組織，其攜帶的基因全部來源于母本；而胚和胚乳是由卵細胞和極核通過雙受精發育而來的，屬于合子組織，其攜帶的基因來源于母本和父本雙方。因此，種子的大小不僅受母體組織和母本基因型的影響，也受合子組織和合子基因型的影響。

拟南芥和水稻種子結構示意圖

目前已經鑒定的種子大小調控的關鍵基因根據它們的功能進行分類，分為泛素-蛋白酶體途徑、MAPK信号途徑、G蛋白信号、激素、轉錄調控和IKU途徑等模塊；對于每個模塊内的基因，根據它們在遺傳學、生物化學等方面的互作關系繪制了信号調控通路，并且讨論了不同模塊之間互相“對話”調控的分子機制，形成了一個種子大小調控的分子網絡。這個調控網絡将來自植物體内和外界環境的信号通過基因之間的相互作用轉化為生長信号，作用于母體組織（種皮）和合子組織（胚和胚乳），調控種皮、胚和胚乳的生長，進而控制種子的生長和最終大小。

此外，該綜述還分析了目前種子大小研究領域存在的問題、可能的解決思路和将來的研究方向，并探讨了這些基因在高産育種中的應用情況或潛在的應用價值，為合理利用這些基因進行分子設計高産育種提供了指導思路。未來育種家們将可以針對這些基因進行分子設計育種，讓種子變得更大、産量更高。

來源：中國科學院遺傳與發育生物學研究所

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