中国科学院遗传与发育生物学研究所（IGDB）的研究团队日前在《细胞》（Cell）期刊发表研究，首次完整揭示了水稻导管孔隙的三维超微结构，并鉴定出一个关键调控模块MYB61-PS1，该模块通过精确控制导管孔隙的三维形态，进而影响水稻的水分运输效率与氮素输送能力，最终显著提升籽粒产量。

导管孔隙是植物维管束细胞壁上微小的开口，其几何形态通过影响植物水分运输和氮素迁移，间接调控作物产量。研究团队利用扫描电镜对水稻核心种质的导管孔隙变异进行观测，发现孔隙大小存在广泛差异。通过全基因组关联分析，他们锁定PS1为控制孔隙大小的主效数量性状位点（QTL）基因。PS1编码木聚糖去乙酰化酶，其调控孔隙大小的机制已通过遗传实验得到验证。

为深入解析PS1等位基因塑造的孔隙精细结构，研究人员采用聚焦离子束-扫描电镜技术重建了纳米尺度的完整孔隙三维结构，发现孔隙腔体具有复杂曲率，其中最狭窄的部分（孔隙口）是决定水分运输效率的关键。研究表明，PS1 Hap2（单倍型2）比PS1 Hap1（单倍型1）形成的孔隙口更小，从而具有更高的水分运输效率。

进一步的功能验证显示，PS1 Hap2因氨基酸变异（V163A）表现出更强的去乙酰化酶活性，能产生低乙酰化程度的木聚糖。这些木聚糖与纤维素结合更紧密，促进导管孔隙边界处纤维素纳米纤维的紧密排列，最终形成更小孔隙口的导管结构。氮素处理实验表明，携带PS1 Hap2的水稻植株在不同氮条件下均表现出显著的氮运输效率提升，进而实现籽粒增产，证实其为优异单倍型。

单倍型网络分析揭示，PS1在籼稻和粳稻两大亚种间存在明显分化——Hap2在现代籼稻品种中被高频利用，但在粳稻育种中极少应用。将PS1 Hap2遗传导入粳稻品种“武育粳3号”和“武粳粳”后，籽粒产量显著提高，显示出其在育种中的巨大潜力。

意外的是，研究发现氮素通过PS1调控孔隙大小的过程受MYB61（氮利用效率QTL基因）控制。叠加MYB61与PS1的优异等位基因可进一步优化导管孔隙几何形态，从而更大幅度提升水稻产量。

该研究不仅首次鉴定出控制导管孔隙大小的QTL基因PS1，还揭示了其通过去乙酰化木聚糖、调控纤维素-木聚糖交联及纳米纤维组装来塑造孔隙形态，进而影响水分运输与籽粒产量的分子机制。研究成果为理解信号分子如何调控导管细胞结构的可塑性提供了新思路，同时也构建了从基因到多糖大分子、从亚细胞超微结构到细胞/组织再到整株植物的多尺度研究策略，为可持续农业技术创新提供了重要支撑。

（相关论文信息：Lanjun Zhang et al, Shaping pit structure in vessel walls sustains xylem hydraulics and grain yield, Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.09.018）