工人日報-中工網(wǎng)記者 黃哲雯
作物雜種優(yōu)勢利用是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。20世紀(jì)70年代以來，袁隆平先生研發(fā)的雜交水稻，主要就是利用秈稻亞種內(nèi)的雜種優(yōu)勢實現(xiàn)水稻大幅增產(chǎn)，從而帶來第二次“綠色革命”，為我國乃至世界糧食安全做出了突出貢獻(xiàn)。
秈稻（廣陸矮4號）和粳稻（臺中65）雜交F1表現(xiàn)出嚴(yán)重的雜種不育現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了秈稻和粳稻雜種優(yōu)勢的利用
(資料圖)
一般來說，品種間親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，雜交優(yōu)勢越明顯。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。秈稻和粳稻亞種間雜交稻具有更大的增產(chǎn)潛力，據(jù)預(yù)測可比現(xiàn)有雜交水稻增產(chǎn)15%以上，但目前它們之間存在嚴(yán)重的生殖隔離，帶來的花粉不育、小穗結(jié)實率低、籽粒不飽滿等“雜種不育”現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙了這一雜種優(yōu)勢的利用。
萬建民院士領(lǐng)銜，中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的科研團隊合作，歷時13年，系統(tǒng)鑒定了引起秈稻和粳稻雜種花粉不育的位點，解開水稻生殖隔離之謎，同時揭示了基因的演化規(guī)律以及其在不同水稻種質(zhì)資源之間的分布。
該研究首次從分子層面闡明水稻雜種不育的機理，實現(xiàn)了該領(lǐng)域里程碑式的突破，為利用亞種間雜種優(yōu)勢培育高產(chǎn)品種提供了理論和技術(shù)支撐。7月26日，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際著名期刊《細(xì)胞（Cell）》上。
該研究團隊先是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(yīng)最大的位點進(jìn)行后續(xù)研究。遺傳分析發(fā)現(xiàn)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(wèi)者”。
“破壞者”對所有花粉產(chǎn)生傷害作用，引起花粉的敗育；而“守衛(wèi)者”阻止“破壞者”的傷害作用，讓那些遺傳了該基因的花粉因受到保護(hù)能正常發(fā)育。在世代繁衍過程中，當(dāng)攜帶和不攜帶這對基因的水稻植株進(jìn)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(fā)育，反之，凡是發(fā)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(dǎo)地位，這種遺傳效應(yīng)被稱為“基因驅(qū)動”。
進(jìn)一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，“破壞者”是通過與細(xì)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(chǎn)能功能，花粉因缺能而最終敗育；而“守衛(wèi)者”能與“破壞者”直接互作，阻止其進(jìn)入產(chǎn)能工廠，從而解除破壞作用。“守衛(wèi)者”還進(jìn)一步將“破壞者”押送到一種叫做自噬體的細(xì)胞器中進(jìn)行降解，從而徹底消滅“破壞者”，使花粉的發(fā)育不受任何影響。
據(jù)介紹，“破壞者”和“守衛(wèi)者”這對基因在最開始的祖先野生稻中并不存在，隨后產(chǎn)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(jìn)化出“破壞者”和“守衛(wèi)者”功能。
在野生稻中形成之后，經(jīng)過人類的馴化，這種有功能的類型僅被一部分秈稻農(nóng)家種繼承，而粳稻農(nóng)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(chǎn)生花粉不育是一個普遍現(xiàn)象。利用該研究的發(fā)現(xiàn)，可以通過分子標(biāo)記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問題，從而推進(jìn)水稻亞種間超強優(yōu)勢利用和高產(chǎn)品種的培育。
該研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)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(jìn)一步說明了這對基因的“基因驅(qū)動”特性。利用這一特性，可以將優(yōu)良基因（如優(yōu)質(zhì)、高抗、耐逆）與這對基因串聯(lián)，“驅(qū)動”這些優(yōu)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。
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