杂草稻(Oryza sativa f.spontanea)是世界稻田的恶性杂草,对栽培稻生产带来极大挑战。杂草稻具有很强的落粒性,通过散落种子的传播,建立持续繁衍的群体,极难防控。同时,栽培稻中的耐除草剂基因(包括转基因)也可以通过花粉介导的基因漂移转移到杂草稻,导致更严重的杂草稻问题。前人报道利用转基因弱化技术,可以通过基因漂移进入杂草稻的干扰基因作用,降低种子落粒性,避免通过基因漂移而获得除草剂抗性杂草稻种子的扩散,从而降低杂草稻的危害,对于杂草稻防治有巨大的应用潜力。目前已有一些利用修饰落粒调控基因减少杂草稻种子落粒的研究报道,但是对这些基因位点在杂草稻落粒基因弱化技术中的深入分析和应用潜力的挖掘,还缺少必要的研究与评价。为填补上述研究空白,本研究运eggshell microbiota用CRISPR-Cas9基因编辑工具对杂草稻中SH4与q SH1主效落粒基因进行了编辑,分别获得并筛选出SH4基因编辑、q SH1基因编辑以及SH4/q SH1双基因编辑的杂草稻转化事件13个。通过对基因编辑植株的种子落粒性检测、小穗轴节离层部位的组织切片观察、种子产量相关性状的检测、转录组测序、基因表达量检测、植物激素含量检测等研究,分析和评价了SH4与q SH1基因编辑对杂草稻落粒性以及对种子产量相关性状的影响,初步探索了杂草稻SH4与q SH1基因编辑突变体MRTX1133供应商对其种子落粒性的影响及其可能调控机制。通过上述系列研究,获得以下结果:1.单独或同时对SH4与q SH1基因进行编辑显著降低了杂草稻种子的落粒性。与野生型杂草稻亲本(落粒指数为100%)相比,单独编辑SH4基因、q SH1基因以及同时编辑SH4和q SH1双基因,导致杂草稻的落粒指数显著降低(落粒指数为11%～28%),并且显著低于寿香1号栽培稻的落粒性(落粒指数为54%);在基因编辑杂草稻植株小穗轴节切片中未观察到完整发育的离层组织。上述结果表明,通过对SH4与q SH1基因编辑影响了小穗轴节离层的正常发育和形成,有效降低了杂草稻的种子落粒性。2.单独编辑SH4或q SH1基因没有显著改变种子的产量相关性状。结果显示,单独编辑SH4或q SH1基因均没有显著影响杂草稻种子的千粒重,但种子的长度减少2%～17%;同时编辑SH4与q SH1双基因杂草稻,则显著降低了杂草稻种子的千粒重与长度。上述结果表明,单独编辑SH4或q SH1基因,不会对杂草稻产量相关性状产生明显不利影响,落粒基因具有用于研发栽培稻转基因弱化技术的潜力。3.单独或同时编辑SH4与q SH1基因显著抑制了杂草稻中落粒相关基因的表达。转录组测序分析与荧光定量PCR检测的结果一致表明,与杂草稻亲本相比,基因编辑杂草稻小穗轴节组织中的落粒性状相关数量性状位点(QTLs),包括CPL1、SH4、SHAT1、Os SH1、Os SH15、q SH1、SH5和SH8;脱落酸(ABA)合成及信号传导基因ZEP、NCED1.1、NCED1.2、SDR1、SDR、PYL3、PYL4、PP2C39、SAPK5和BZIP23等;细胞壁水解酶基因PME34、PG、XTH28和MAN4的转录水平均发生显著下调;表明SH4与q SH1基因表达受抑制后,脱落酸的合成与信号传导受到抑制,细胞壁水解酶转录表达降低,离层组织发育受阻,进而降低了杂草稻种子的落粒性。4.单独或同时编辑SH4与q SH1基因显著降低了杂草稻种子的脱落酸含量。与杂草稻亲本相比,基因编辑杂草稻的小穗轴节组织在种子发育后期阶段的脱落酸含量发生了显著的降低,但同时与种子大小相关的生长素(auxin a,auxin b)与细胞分裂素(t Z,c Z,t ZR,c ZR)含量则没有发生一Nirmatrelvir致的显著变化。这些结果表明,脱落酸含量的降低是导致杂草稻种子落粒性降低的重要原因之一。综上所述,种子落粒相关基因SH4与q SH1的编辑,可能是通过抑制脱落酸的合成及其信号通路影响小穗轴节中离层组织的形成,从而显著降低杂草稻的落粒性,本研究得出的上述结论,有助于杂草稻落粒性及其调控机制的深入探究。此外,由于单独编辑SH4或q SH1基因未对种子产量造成显著不利影响,因而推断对栽培稻上述基因进行编辑也不会影响产量,因此落粒基因编辑在研发转基因弱化技术和降低转基因向杂草稻基因漂移风险的应用中具有良好前景,为利用转基因弱化技术来防治杂草稻提供了科学依据和有效策略。