不育系的异交结实率关乎杂交稻的制种产量，柱头外露率（SER）是影响不育系异交结实率的关键因素之一（Marathi & Jena, 2015）。SER是复杂的数量性状，易受环境影响（Miyata et al., 2007）。尽管已鉴定出数个与SER相关的QTL（Tan et al., 2022），但尚未有利用正向遗传学手段克隆的柱头外露率基因被报道，其分子调控机制研究也较为缺乏。SER与柱头大小（长度和宽度）呈显著正相关（Tan et al., 2023）。我们利用华粳籼74（HJX74）为受体亲本的单片段代换系材料发展作图群体，将柱头外露率基因SER1定位在第2号染色体上29.48 kb的区间内。以获得的交换单株R4为NIL-SER1，而HJX74则为NIL-ser1。NIL-SER1和NIL-ser1的柱头大小、柱头外露率差异显著，但在其他主要农艺性状上无显著差异。定位区间内含有3个注释基因（OsSPL5、OsCH240和OsSm-F），进一步的遗传转化分析表明，OsSPL5为SER1的候选基因。OsSPL5仅第3外显子位于定位区间，序列分析表明，NIL-SER1与NIL-ser1的第3外显子存在2处造成编码氨基酸改变的SNP；qPCR分析显示，OsSPL5的表达水平在一对近等基因系材料中不存在显著差异。针对于第3外显子的基因编辑阳性株系柱头也显著变小，以上表明，OsSPL5第3外显子的序列变异可能是造成柱头外露率差异的主要原因。通过转录组与Cut&Tag-Seq联合分析，鉴定到27个OsSPL5下游候选靶基因，其中包括DEP1（编码G蛋白γ亚基）。OsSPL5能够结合DEP1启动子上的SBP结合元件（GTAC），进而促进下游基因表达。在SER1背景下敲除DEP1（KO-DEP1/NIL-SER1）、在NIL-ser1背景下导入dep1（NIL-ser1-dep1）均会影响柱头大小。通过常规杂交和分子辅助选择，将SER1导入籼型不育系P132-16A中，显著提高了后者的柱头外露率和异交结实率。综上所述，SER1（OsSPL5）是调控水稻柱头大小和柱头外露率的关键因子，其与DEP1的互作揭示了G蛋白在调控水稻柱头发育中的重要作用。此外，SER1的自然变异分析与优异等位基因挖掘，为高柱外露率不育系的设计育种提供了重要的理论依据和基因资源。
