粳稻和秈稻是水稻的兩個(gè)亞種，二者之間存在生殖隔離現(xiàn)象——雜交后得到的植株，其花粉常常嚴(yán)重不育，影響正常結(jié)籽。這一問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著水稻育種家。近日，由中國(guó)工程院院士萬(wàn)建民領(lǐng)銜、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)合作的科研團(tuán)隊(duì)，鑒定并深入解析了引起雜種花粉不育的最主效基因位點(diǎn)，破解了水稻生殖隔離之謎，為培育更高產(chǎn)量的雜交水稻品種提供了理論和技術(shù)支撐。
水稻是我國(guó)的主糧作物，粳稻多種植在北方，而秈稻多種植在南方。二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，袁隆平院士研發(fā)的雜交水稻主要利用的就是秈稻亞種內(nèi)的雜交，實(shí)現(xiàn)了水稻大幅增產(chǎn)，為我國(guó)乃至世界糧食安全做出了突出貢獻(xiàn)。
萬(wàn)建民介紹，在育種上，利用作物的雜種優(yōu)勢(shì)正是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。一般來(lái)說(shuō)，品種間親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，雜交優(yōu)勢(shì)越明顯。如果秈稻和粳稻亞種間能育成超級(jí)雜交稻，據(jù)預(yù)測(cè)，可以比現(xiàn)有雜交水稻的產(chǎn)量提高15%以上，育種潛力巨大。但秈稻和粳稻之間存在生殖隔離現(xiàn)象，其雜交種上的花粉常表現(xiàn)出不育現(xiàn)象，不能結(jié)籽，嚴(yán)重影響產(chǎn)量，成為阻礙培育秈稻和粳稻亞種間超級(jí)雜交稻的最大障礙之一。
由此，該研究團(tuán)隊(duì)在全基因組層面尋找引起這種雜種不育的“罪魁禍?zhǔn)住?，最終“鎖定”了其中一個(gè)效應(yīng)最大的基因位點(diǎn)。分析發(fā)現(xiàn)，該位點(diǎn)由一對(duì)獨(dú)特的基因組成，它們成對(duì)出現(xiàn)，其作用仿佛就如“破壞者”和“守衛(wèi)者”。
“破壞者”基因能對(duì)所有花粉產(chǎn)生傷害作用，引起花粉的敗育；而“守衛(wèi)者”基因能阻止“破壞者”基因的傷害作用，使花粉正常發(fā)育。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步詳細(xì)解析了“破壞者”基因和“守護(hù)者”基因在細(xì)胞內(nèi)部具體作用的分子機(jī)制?？梢哉f(shuō)，該研究首次從分子層面闡明了水稻雜種不育的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域里程碑式的突破。
研究團(tuán)隊(duì)就此解開了粳稻和秈稻雜種花粉的不育之謎：這對(duì)基因是在亞洲栽培稻的祖先——普通野生稻中進(jìn)化出來(lái)的。后來(lái)，經(jīng)過(guò)人類的馴化，這對(duì)基因被一部分秈稻繼承，而粳稻卻沒(méi)有繼承。因此，這對(duì)基因在水稻種間或亞種間的分布不均勻，它們相互雜交時(shí)，后代雜交種的部分花粉中不攜帶這對(duì)基因，由此引發(fā)了雜種不育現(xiàn)象。
萬(wàn)建民表示，利用本次研究的發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇等手段，規(guī)避花粉敗育而引發(fā)的不育問(wèn)題，從而推進(jìn)水稻亞種間雜交稻高產(chǎn)品種的培育。相關(guān)研究成果于2023年7月26日發(fā)表在《細(xì)胞》上。
圖為秈稻（廣陸矮4號(hào)）和粳稻（臺(tái)中65）雜交F1表現(xiàn)出嚴(yán)重的雜種不育現(xiàn)象。
