中國科研團隊破解水稻生殖隔離之謎

在水稻花粉中，有兩個神奇的基因，一個被喻作“破壞者”，另一個則是“守衛者”。兩者的功能顧名思義：“破壞者”對所有花粉產生傷害作用，引起花粉的敗育；而“守衛者”阻止“破壞者”的傷害作用，因此只有那些遺傳了該基因的花粉，因受到保護而能正常發育。

找到這兩個基因并不容易，對其進行克隆遺傳來培育優質高產的雜交水稻，更是全世界科學家夢寐以求的工作。

來自中國的科研團隊做到了：中國工程院院士萬建民領銜、中國農業科學院作物科學研究所和南京農業大學的科研團隊合作，歷時13年系統鑒定了引起秈稻和粳稻雜種花粉不育的位點，并對其中一個最主效的位點進行了基因克隆和遺傳、分子機制的深入解析，解開了水稻生殖隔離之謎。

(資料圖)

北京時間2023年7月26日23時，國際學術期刊《細胞》在線發表這一重大成果——“闡明水稻雜種不育分子機理，破解水稻生殖隔離之謎”。該成果為利用亞種間雜種優勢培育高產品種提供了理論和技術支撐，使我國有望育成超級雜交稻，可以比現有雜交水稻增產15%以上。

農業農村部黨組成員、中國農科院院長吳孔明院士表示，該研究是繼2018年自私基因研究之后，該團隊在雜種不育領域取得的又一突破性進展，也是中國農科院在農業基礎研究領域的既聚焦基礎前沿、又面向國家重大需求的又一項重大標志性成果。

作物雜種優勢利用是大幅提高糧食產量的重要途徑。水稻分為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。20世紀70年代以來，袁隆平院士研發的雜交水稻主要是利用秈稻亞種內的雜種優勢，實現了水稻大幅增產，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，雜交優勢越明顯。如果秈稻和粳稻亞種間能育成超級雜交稻，可以比現有雜交水稻增產15%以上，因此如何利用亞種間的超強優勢一直受到育種家的關注。”萬建民介紹，秈稻和粳稻之間存在嚴重的生殖隔離，其雜交種常表現出雜種不育現象，是阻礙雜種優勢利用的最大障礙之一。

論文的第一作者、南京農業大學農學院博士后王超龍介紹，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了后續研究。遺傳分析發現，這個位點由緊密連鎖的兩個基因組成，就是前文所提到的“破壞者”和“守衛者”。

王超龍告訴記者，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，所得到的雜交植株中，凡是不攜帶這對基因的花粉都不能正常發育；反之，凡是發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”。

研究團隊進一步研究發現，“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，干擾線粒體的產能功能，花粉因缺能而最終敗育；而“守衛者”能與“破壞者”直接互作，阻止其進入產能工廠，從而解除破壞作用。“守衛者”還進一步將“破壞者”押送到一種叫作自噬體的細胞器中進行降解，從而徹底消滅“破壞者”，使花粉的發育不受任何影響。

“‘破壞者’和‘守護者’這對基因在最開始的祖先野生稻中并不存在，隨后產生無功能的類型，最后在亞洲栽培稻的祖先——普通野生稻中進化出‘破壞者’和‘守護者’功能。”萬建民說。

他告訴中青報·中青網記者，在野生稻中形成之后，經過人類的馴化，這種有功能的類型僅被一部分秈稻農家種繼承，而粳稻農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生花粉不育是一個普遍現象。

“這個研究首次從分子層面闡明了水稻雜種不育的機理，實現了該領域里程碑式的突破。”萬建民說。

研究團隊認為，利用這項發現，可以將優質、高抗、耐逆等優良基因與這對基因串聯，“驅動”這些優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。“我們還可以通過分子標記輔助選擇等手段規避該對基因引起的雜種花粉不育問題，從而推進水稻亞種間雜種優勢利用和超高產品種的培育。”萬建民說。

中青報·中青網記者 邱晨輝 來源：中國青年報