中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所和南京農(nóng)業(yè)大學的科研團隊經(jīng)過13年的合作研究，系統(tǒng)鑒定了引起秈稻和粳稻雜種不育的位點，深入解析其中一個最主效位點的基因克隆和遺傳、分子機制，解開了水稻生殖隔離之謎，為利用亞種間雜種優(yōu)勢培育高產(chǎn)品種提供了理論和技術支撐。7月26日，相關研究成果以研究長文的形式發(fā)表在《細胞（Cell）》上。

 

　　作物雜種優(yōu)勢利用是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。水稻分秈稻和粳稻兩個亞種，我國北方多種植粳稻，南方多種植秈稻。上世紀七十年代以來，袁隆平先生研發(fā)的雜交水稻主要是利用秈稻亞種內(nèi)的雜種優(yōu)勢，實現(xiàn)了水稻大幅增產(chǎn)，帶來第二次“綠色革命”，為我國乃至世界糧食安全作出了突出貢獻。一般來說，品種間親緣關系越遠，雜交優(yōu)勢越明顯。據(jù)預測，如果秈稻和粳稻亞種間能育成超級雜交稻，可以比現(xiàn)有雜交水稻增產(chǎn)15%以上，因此如何利用亞種間的超強優(yōu)勢一直受到育種家的關注。然而，秈稻和粳稻之間存在嚴重的生殖隔離，其雜交種常表現(xiàn)出雜種不育現(xiàn)象，成為阻礙雜種優(yōu)勢利用的最大障礙之一。

 

　　研究團隊首先在全基因組層面分析鑒定了引起秈稻和粳稻雜種花粉不育的主效位點，然后對位于第12號染色體上的一個效應最大的位點進行研究。遺傳分析發(fā)現(xiàn)，該位點由緊密連鎖的兩個基因組成，可以分別比喻為“破壞者”和“守衛(wèi)者”。“破壞者”對所有花粉產(chǎn)生傷害作用，引起花粉的敗育；而“守衛(wèi)者”具有阻止“破壞者”傷害的作用，因此那些遺傳了該基因的花粉，因受到保護能正常發(fā)育。在世代繁衍過程中，當攜帶和不攜帶這對基因的水稻植株進行雜交時，在得到的雜交植株中，凡是不攜帶這對基因的花粉都不能正常發(fā)育，反之，凡是發(fā)育正常的花粉都攜帶這對基因，隨著世代的增加，含有該對基因的后代個體會逐漸增加，最終占主導地位，這種遺傳效應被稱之為“基因驅動”。

 

　　進一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，“破壞者”是通過與細胞中能量工廠線粒體的一個核心功能蛋白互作，干擾線粒體的產(chǎn)能功能，花粉因缺能而最終敗育；而“守衛(wèi)者”能與“破壞者”直接互作，阻止其進入產(chǎn)能工廠，從而解除破壞作用。“守衛(wèi)者”還進一步將“破壞者”押送到一種叫做自噬體的細胞器中進行降解，從而徹底消滅“破壞者”，使花粉的發(fā)育不受任何影響。該研究首次從分子層面闡明了水稻雜種不育的機理，實現(xiàn)了該領域里程碑式的突破！

 

　　研究人員還分析了這對基因在水稻中的起源及其分布。研究表明，這對基因在最開始的祖先野生稻中并不存在，隨后產(chǎn)生無功能的類型，最后在亞洲栽培稻的祖先——普通野生稻中分別進化出“破壞者”和“守衛(wèi)者”功能。在野生稻中形成之后，經(jīng)過人類的馴化，這種有功能的類型僅被一部分秈稻農(nóng)家種繼承，而粳稻農(nóng)家種可能因為地緣不同沒有繼承這一功能類型。由于這對基因在水稻種間或亞種間的分布不均一，因此它們相互雜交產(chǎn)生花粉不育是一種普遍現(xiàn)象。利用該發(fā)現(xiàn)，可以通過分子標記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問題，從而推進水稻亞種間超強優(yōu)勢利用和高產(chǎn)品種的培育。

 

　　研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代水稻育種無意中將這對基因從秈稻引入粳稻后，其在粳稻種群中快速擴散，進一步說明了這對基因的“基因驅動”特性。利用這一特性，可以將優(yōu)質、高抗、耐逆等優(yōu)良基因與這對基因串聯(lián)，“驅動”這些優(yōu)良基因在后代群體中快速傳播和純合，從而大大縮短育種時間，提高育種效率。該發(fā)現(xiàn)為分子設計育種提供了新思路。

 

　　中國科學院院士劉耀光認為，雜交稻秈稻亞種內(nèi)雜種優(yōu)勢的潛力挖掘已經(jīng)到達一個平臺期，想要進一步增產(chǎn)，今后的發(fā)展方向是利用秈粳亞種間的雜種優(yōu)勢，以及亞洲稻和非洲稻之間的雜種優(yōu)勢。要利用這個優(yōu)勢就需要解決雜種不育問題，這依賴于對雜種不育相關基因座位的了解，對相關基因的鑒定，以及搞清楚其作用機制。萬建民院士團隊的這項成果闡明了相關基因的功能，為下一步解決雜種不育問題打下了基礎。隨著相關問題的解決，秈粳雜種不育的障礙在若干年內(nèi)將會得到解決，雜交稻的產(chǎn)量將得到更進一步提高。

 

　　中國科學院院士種康認為，該成果明確了控制遺傳性狀的基因位點和遺傳模塊，同時從細胞生物學和生物化學的角度解析清楚了中間的細節(jié)。這為未來超級雜交稻進入完全分子設計的新階段提供了重要的理論基礎。