作物雜種優勢利用是大幅提高糧食產量的重要途徑。上世紀七十年代以來，袁隆平先生研發的雜交水稻主要就是通過利用秈稻亞種內的雜種優勢培育雜交稻，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做出了突出貢獻。秈稻和粳稻亞種間雜交稻具有更大的增產潛力，但亞種間雜交帶來的花粉不育、小穗結實率低、子粒不飽滿等“雜種不育”現象卻嚴重阻礙了這一雜種優勢的利用。
7月26日，萬建民院士領銜，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，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，同時揭示了基因的演化規律以及其在不同水稻種質資源中的分布。該研究歷時13年，為利用水稻亞種間雜種優勢培育高產品種提供了理論和技術支撐。相關研究成果發表在《細胞（Cell）》期刊。
(資料圖片)
秈稻（廣陸矮4號）和粳稻（臺中65）雜交F1表現出嚴重的雜種不育現象，嚴重限制了秈稻和粳稻雜種優勢的利用
水稻也有生殖隔離
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。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，據預測，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。
然而，秈稻和粳稻之間存在嚴重的生殖隔離，其雜交種常表現出雜種不育現象，是阻礙雜種優勢利用的最大障礙之一。
2018年，萬建民院士團隊創造性地運用自私基因模型揭示了水稻的雜種不育現象，本研究是繼自私基因（Science, 2018）之后，該團隊在雜種不育領域取得的又一突破性進展。
“破壞者”與“守護者”之戰
萬建民院士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深入研究。遺傳分析發現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“守衛者”。
粳稻（臺中65）和秈稻（廣陸矮4號）具有很強的雜種優勢，但花粉嚴重不育，其中RHS12位點是引起雜種花粉不育的最主效位點
“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。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育，換言之，凡是發育正常的花粉都攜帶這對基因，因此隨著世代的增加，含有該對基因的后代個體會迅速增加，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，并進一步將“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”，使花粉的發育不再受影響?？梢赃@樣說，該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。
良種培育有了新思路
萬建民院士介紹，“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“守衛者”功能。
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。利用該研究的發現，可以通過分子標記輔助選擇等手段規避花粉敗育問題，從而推進水稻亞種間超強優勢利用和高產品種的培育。
該研究還發現，現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，可以將優良基因（如優質、高抗、耐逆）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。 （光明網記者宋雅娟 實習生閆雨萌）
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