研究解開水稻生殖隔離之謎

　　一般來說，水稻品種間親緣關系越遠，雜交優勢越明顯。據預測，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。

　　7月26日，中國工程院院士萬建民領銜、中國農業科學院和南京農業大學的科研團隊聯合攻關的一項研究，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（指不同種群或亞種群之間，由于某些障礙而不能進行有效的基因交流）之謎，同時揭示了基因的演化規律及其在不同水稻種質資源之間的分布。該研究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。相關研究成果發表在國際學術期刊《細胞》。

　　作物雜種優勢利用是大幅提高糧食產量的重要途徑。萬建民指出，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。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。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。

　　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”。

　　“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，因此那些遺傳了該基因的花粉，因受到保護能正常發育。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，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，實現了該領域里程碑式的突破。

　　萬建民表示，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；此外，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。