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。一般來說，品種間親緣關系越遠，雜交優(yōu)勢越明顯。如果秈稻和粳稻亞種間能育成超級雜交稻，據(jù)預測，可以比現(xiàn)有雜交水稻增產(chǎn)15%以上，因此如何利用亞種間的超強優(yōu)勢一直受到育種家的關注。
7月26日，萬建民院士領銜，中國農業(yè)科學院作物科學研究所和南京農業(yè)大學的科研團隊合作，系統(tǒng)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資源中的分布。該研究歷時13年，為利用水稻亞種間雜種優(yōu)勢培育高產(chǎn)品種提供了理論和技術支撐。相關研究成果發(fā)表在《細胞（Cell）》期刊。
生殖隔離是阻礙雜種優(yōu)勢的最大障礙
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70年代以來，袁隆平先生研發(fā)的雜交水稻主要就是通過利用秈稻亞種內的雜種優(yōu)勢培育雜交稻，實現(xiàn)了水稻大幅增產(chǎn)，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。秈稻和粳稻亞種間雜交稻具有更大的增產(chǎn)潛力，但亞種間雜交帶來的花粉不育、小穗結實率低、籽粒不飽滿等“雜種不育”現(xiàn)象卻嚴重阻礙了這一雜種優(yōu)勢的利用。
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(xiàn)出雜種不育現(xiàn)象，是阻礙雜種優(yōu)勢利用的最大障礙之一。
目前，大部分雜交稻育種主要利用秈稻和秈稻品種之間，粳稻和粳稻品種之間的雜種優(yōu)勢，但對這種雜種優(yōu)勢潛力的挖掘已經(jīng)進入一個平臺期了，想要進一步增強進而產(chǎn)生更高產(chǎn)量的雜交稻，今后的發(fā)展方向是利用秈粳亞種間的雜種不育，以及亞洲稻和非洲稻之間的雜種不育，他們有更強的雜種優(yōu)勢。中國科學院院士劉耀光說：“要實現(xiàn)這個目標，雜種不育的問題是一個攔路虎，所以我們克服這個問題就要依賴于對雜種不育相關基因座位進行了解，對相關基因進行鑒定，進行遺傳分析和克隆，以及搞清楚它的作用機制。萬建民院士團隊最新研究成果在雜種不育領域取得新進展?！?/p>
解析引起雜種花粉不育的基因“破壞者”與“守護者”
萬建民院士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，對位于第12號染色體上的一個效應最大的位點進行了深入研究。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”。
論文的第一作者、南京農業(yè)大學農學院博士后王超龍介紹說，“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，因此只有那些遺傳了該基因的花粉，因受到保護而能正常發(fā)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，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，換言之，凡是發(fā)育正常的花粉都攜帶這對基因，因此隨著世代的增加，含有該對基因的后代個體會迅速增加，最終占主導地位，這種遺傳效應被稱為“基因驅動”。
進一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，“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(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，阻止其進入產(chǎn)能工廠，并進一步將“破壞者”押送到一種叫作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(fā)育不再受影響?？梢赃@樣說，該研究首次從分子層面闡明了水稻雜種不育的機理，實現(xiàn)了該領域里程碑式的突破。
為利用雜種優(yōu)勢培育高產(chǎn)品種提供了新思路
萬建民院士介紹，“破壞者”和“守護者”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家種繼承，而粳稻農家種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)，可以通過分子標記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問題，從而推進水稻亞種間超強優(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，進一步說明了這對基因的“基因驅動”特性。利用這一特性，可以將優(yōu)良基因（如優(yōu)質、高抗、耐逆）與這對基因串聯(lián)，“驅動”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。
中國科學院院士種康指出，“萬建民院士團隊的研究成果解析了在馴化過程中這個基因首先是從哪兒來的，后來怎么樣擴散的，在哪些種質資源里面有，把這個脈絡搞清楚了，對分子設計非常有用的，能夠提供一些直接遺傳材料的路徑，無論對育種理論和實踐，都有重要意義。”
“破解秈稻和粳稻亞種間的生殖隔離，將有望實現(xiàn)水稻單產(chǎn)的再次飛躍。這項成果讓我們距離這一天又前進了一大步?！鞭r業(yè)農村部黨組成員、中國農業(yè)科學院院長吳孔明說。
