作物育性理論研究“973”項目獲系列創新成果

　　作物育性是作物“傳宗接代”的能力，也是產生人類賴以生存的糧食的基礎。過去幾十年來，以作物育性為基礎的雜交育種為農作物產量的提高作出了巨大的貢獻。但是，進一步提高育種水平，確保我國糧食生產的長治久安，仍有賴于對作物育性形成分子機制的深入研究。

　　在國家重點基礎研究計劃（“973”計劃）的資助下，來自武漢大學、北京大學、中國農業大學、北京師范大學等高校的植物生殖生物學家，自2007年7月開始，圍繞“植物生殖發育與育性的分子基礎及其在農業中的應用”項目，通過5年聯合攻關，在闡明作物育性機理方面取得了一系列突破性進展。

　　近日，該項目首席科學家、武漢大學教授孫蒙祥表示，參與該項目的植物學家在雄性不育、雜種不育、自交不親和、性母細胞分裂、花粉管發育等育性形成相關的重要調控機制研究方面，取得了一批具有原始創新性和國際前沿性的成果，并在該領域的國際著名雜志上發表論文30余篇，為作物育種提供了新思路、新技術和新種質資源，也使我國在該領域的研究躋身國際前沿。

　　“雜交水稻是我國糧食生產的主要作物，對保障我國的糧食安全起著舉足輕重的作用。三系雜交稻育種的關鍵是要有理想的雄性不育系。”孫蒙祥介紹說，目前，雄性不育系的獲得主要靠尋找自然存在的株系和雜交選育，因而常常需要一個復雜艱苦的過程。

　　參加該“973”項目的上海交通大學教授張大兵等從研究雄性生殖器官發育的分子機理入手，發現了調控水稻雄性生殖細胞育性的一些關鍵基因，并闡明了這些基因調控水稻花藥和花粉發育的作用機制和信號轉導途徑。研究成果對于解析重要糧食作物水稻的雄性生殖發育過程具有重要意義。

　　“有趣的是，研究人員發現這些調控機制在不同的物種中具有相似的途徑，這就為解讀其他作物雄性生殖器官的育性調控機制提供了捷徑。”孫蒙祥表示。

　　目前，相關原創性研究成果已經在植物科學權威刊物《植物細胞》上發表多篇論文。

　　據介紹，在基礎理論研究領域的這些突破為人工調控作物花粉育性、創建人工智能不育系，提供了明確的新思路和新技術。值得期待的是，植物學家們已著手利用基因工程不育株系及相關基因創制人工智能不育系。相信在不久的將來，可以應用到水稻育種及生產當中。

　　育性的遺傳控制是雜交稻育種的核心。袁隆平院士曾提出我國雜交稻由三系到兩系，再到一系的育種戰略。

　　目前，兩系雜交稻的應用仍有明顯的局限性。闡明光溫敏不育的分子遺傳機理是實現新的育種戰略的關鍵一步。

　　在“973”項目的資助下，項目組科研團隊系統開展了水稻光溫敏不育基因和雜種不育基因的克隆和分子機理研究，取得了一系列重要進展。

　　值得注意的是，研究人員從兩系雜交稻的光敏不育系農墾58S和溫敏不育系培矮64S中克隆出了光溫敏不育基因。他們發現，該基因的功能缺失是產生光溫敏不育的主要原因。該發現與華中農業大學張啟發院士所領導團隊的研究成果殊途同歸，揭示了光溫自然條件下，改變調控兩系水稻可育與不育的分子機制，對未來兩系水稻不育系的培育和水稻育種新戰略的實施具有重大意義。

　　此外，種間或亞種間雜交是引進新的基因資源、充分利用雜種優勢的一項重要作物育種策略。雜種不育則是雜種優勢利用的一個主要障礙。

　　參加該“973”項目的華南農業大學教授劉耀光、莊楚雄等成功地克隆了亞洲栽培稻與非洲栽培稻種間雜種不育基因S1和S20。進一步的研究表明，S1控制雜種的雌性不育和雄性不育，是種間雜種生殖隔離效應最大的基因，由此研究人員明確了非洲稻和亞洲稻的S1等位基因在某些特定區域發生了變異，從而導致雜種不育。

　　在針對不育基因S20的研究中，研究人員發現該基因主要負責控制雜種的雄性不育，并編碼一個單糖轉移酶。研究表明，亞洲稻的S20等位基因在編碼區發生了1個氨基酸變異，使該單糖轉移酶的活性改變而產生雜種的花粉敗育。

　　孫蒙祥介紹說，該成果是這一領域近年來取得的最重要進展，將為雜交稻的分子育種、克服雜種育性障礙和進一步利用水稻雜種優勢提供理論指導。

　　植物育性形成與育性轉換調控的分子基礎研究，具有極為重要的理論價值與生產實踐意義。世界發達國家都著眼于農業長期、深層次發展的戰略需求，對植物育性形成與育性轉換分子機制的研究一直給予高度重視。

　　但是，由于經濟衰退，目前國外的相關研究難以組織像上世紀末那樣的有規模的團隊。相比之下，“植物生殖發育與育性的分子基礎及其在農業中的應用”項目的順利實施，有力保障了我國植物生殖生物學家集中優勢研究力量，搭建共享技術平臺，從而建立堅實的研究基礎。

　　該項目組研究人員在雄性不育、雜種不育、自交不親和、花粉母細胞減數分裂、花粉管發育等育性形成相關的重要調控機制方面的研究，取得了一系列具有原創性和國際前沿性的成果，受到國際同行的密切關注。同時，在該“973”項目的支持下，相關領域的國際會議在我國成功舉辦。在第21次和22次國際植物有性生殖大會上，項目組的多名植物生殖生物學家也應邀作大會報告，產生了廣泛的影響。

　　項目組科學家認為，該“973”項目的實施有力地推動了我國相關領域的研究發展，使之躋身于國際前沿。同時，近年來，作物育性的研究發展迅猛，大量新技術、新方法的建立與應用為揭示作物生殖奧秘、闡明作物育性機理，提供了前所未有的機遇。

　　“我們在作物育性分子調控機制研究領域已取得了重要進展，并為進一步深入研究奠定了堅實的基礎。”孫蒙祥認為，如果能得到國家的持續支持，將使我國在該學科的國際前沿中占有更加重要的位置，并搶先獲得具有自主知識產權的基因資源和源頭創新性成果。

      “通過揭示植物育性的遺傳調控機制并獲得重要的功能基因，有利于創建新的育種體系，提高作物育種效率和產量，獲得農作物優良品種，確保我國糧食安全的長治久安。”孫蒙祥表示，項目組科學家期待能為我國生命科學的發展和農業生產作出新的更大貢獻。