13年磨一剑！中国科研团队破解水稻生殖隔离之谜

在水稻花粉中，有两个神奇的基因，一个被喻作“破坏者”，另一个则是“守卫者”。两者的功能顾名思义：“破坏者”对所有花粉产生伤害作用，引起花粉的败育；而“守卫者”阻止“破坏者”的伤害作用，因此只有那些遗传了该基因的花粉，因受到保护而能正常发育。

找到这两个基因并不容易，对其进行克隆遗传来培育优质高产的杂交水稻，更是全世界科学家梦寐以求的工作。

(资料图)

来自中国的科研团队做到了：中国工程院院士万建民领衔、中国农业科学院作物科学研究所和南京农业大学的科研团队合作，历时13年系统鉴定了引起籼稻和粳稻杂种花粉不育的位点，并对其中一个最主效的位点进行了基因克隆和遗传、分子机制的深入解析，解开了水稻生殖隔离之谜。

北京时间2023年7月26日23时，国际学术期刊《细胞》在线发表这一重大成果——“阐明水稻杂种不育分子机理，破解水稻生殖隔离之谜”。该成果为利用亚种间杂种优势培育高产品种提供了理论和技术支撑，使我国有望育成超级杂交稻，可以比现有杂交水稻增产15%以上。

农业农村部党组成员、中国农科院院长吴孔明院士表示，该研究是继2018年自私基因研究之后，该团队在杂种不育领域取得的又一突破性进展，也是中国农科院在农业基础研究领域的既聚焦基础前沿、又面向国家重大需求的又一项重大标志性成果。

籼稻和粳稻杂交后表现出严重的杂种不育现象。研究团队供图

作物杂种优势利用是大幅提高粮食产量的重要途径。水稻分为籼稻和粳稻两个亚种，我国北方多种植粳稻，南方多种植籼稻。20世纪70年代以来，袁隆平院士研发的杂交水稻主要是利用籼稻亚种内的杂种优势，实现了水稻大幅增产，带来第二次“绿色革命”，为我国乃至世界粮食安全作出了突出贡献。

“一般来说，品种间亲缘关系越远，杂交优势越明显。如果籼稻和粳稻亚种间能育成超级杂交稻，可以比现有杂交水稻增产15%以上，因此如何利用亚种间的超强优势一直受到育种家的关注。”万建民介绍，籼稻和粳稻之间存在严重的生殖隔离，其杂交种常表现出杂种不育现象，是阻碍杂种优势利用的最大障碍之一。

论文的第一作者、南京农业大学农学院博士后王超龙介绍，研究团队首先在全基因组层面分析鉴定了引起籼稻和粳稻杂种花粉不育的主效位点，然后对位于第12号染色体上的一个效应最大的位点进行了后续研究。遗传分析发现，这个位点由紧密连锁的两个基因组成，就是前文所提到的“破坏者”和“守卫者”。

王超龙告诉记者，在世代繁衍过程中，当携带和不携带这对基因的水稻植株进行杂交时，所得到的杂交植株中，凡是不携带这对基因的花粉都不能正常发育；反之，凡是发育正常的花粉都携带这对基因。随着世代的增加，含有该对基因的后代个体会逐渐增加，最终占主导地位，这种遗传效应被称之为“基因驱动”。

研究团队进一步研究发现，“破坏者”是通过与细胞中能量工厂线粒体的一个核心功能蛋白互作，干扰线粒体的产能功能，花粉因缺能而最终败育；而“守卫者”能与“破坏者”直接互作，阻止其进入产能工厂，从而解除破坏作用。“守卫者”还进一步将“破坏者”押送到一种叫作自噬体的细胞器中进行降解，从而彻底消灭“破坏者”，使花粉的发育不受任何影响。

“‘破坏者’和‘守护者’这对基因在最开始的祖先野生稻中并不存在，随后产生无功能的类型，最后在亚洲栽培稻的祖先-普通野生稻中进化出‘破坏者’和‘守护者’功能。”万建民说。

他告诉记者，在野生稻中形成之后，经过人类的驯化，这种有功能的类型仅被一部分籼稻农家种继承，而粳稻农家种可能因为地缘不同没有继承这一功能类型。由于这对基因在水稻种间或亚种间的分布不均一，因此它们相互杂交产生花粉不育是一个普遍现象。

“这个研究首次从分子层面阐明了水稻杂种不育的机理，实现了该领域里程碑式的突破。”万建民说。

研究团队认为，利用这项发现，可以将优质、高抗、耐逆等优良基因与这对基因串联，“驱动”这些优良基因在后代群体中快速传播和纯合，从而大大缩短育种时间，提高育种效率。“我们还可以通过分子标记辅助选择等手段规避该对基因引起的杂种花粉不育问题，从而推进水稻亚种间杂种优势利用和超高产品种的培育。”万建民说。

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