秈稻和粳稻雜交后表現(xiàn)出嚴(yán)重的雜種不育現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)供圖

在水稻花粉中，有兩個(gè)神奇的基因，一個(gè)被喻作“破壞者”，另一個(gè)則是“守衛(wèi)者”。兩者的功能顧名思義：“破壞者”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”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(hù)而能正常發(fā)育。

找到這兩個(gè)基因并不容易，對(duì)其進(jìn)行克隆遺傳來(lái)培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的雜交水稻，更是全世界科學(xué)家夢(mèng)寐以求的工作。

來(lái)自中國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)做到了：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)的科研團(tuán)隊(duì)合作，歷時(shí)13年系統(tǒng)鑒定了引起秈稻和粳稻雜種花粉不育的位點(diǎn)，并對(duì)其中一個(gè)最主效的位點(diǎn)進(jìn)行了基因克隆和遺傳、分子機(jī)制的深入解析，解開(kāi)了水稻生殖隔離之謎。

北京時(shí)間2023年7月26日23時(shí)，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線(xiàn)發(fā)表這一重大成果——“闡明水稻雜種不育分子機(jī)理，破解水稻生殖隔離之謎”。該成果為利用亞種間雜種優(yōu)勢(shì)培育高產(chǎn)品種提供了理論和技術(shù)支撐，使我國(guó)有望育成超級(jí)雜交稻，可以比現(xiàn)有雜交水稻增產(chǎn)15%以上。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黨組成員、中國(guó)農(nóng)科院院長(zhǎng)吳孔明院士表示，該研究是繼2018年自私基因研究之后，該團(tuán)隊(duì)在雜種不育領(lǐng)域取得的又一突破性進(jìn)展，也是中國(guó)農(nóng)科院在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的既聚焦基礎(chǔ)前沿、又面向國(guó)家重大需求的又一項(xiàng)重大標(biāo)志性成果。

作物雜種優(yōu)勢(shì)利用是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。水稻分為秈稻和粳稻兩個(gè)亞種，我國(guó)北方多種植粳稻，南方多種植秈稻。20世紀(jì)70年代以來(lái)，袁隆平院士研發(fā)的雜交水稻主要是利用秈稻亞種內(nèi)的雜種優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了水稻大幅增產(chǎn)，帶來(lái)第二次“綠色革命”，為我國(guó)乃至世界糧食安全作出了突出貢獻(xiàn)。

“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，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(qiáng)優(yōu)勢(shì)一直受到育種家的關(guān)注?！比f(wàn)建民介紹，秈稻和粳稻之間存在嚴(yán)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(shì)利用的最大障礙之一。

論文的第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士后王超龍介紹，研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，然后對(duì)位于第12號(hào)染色體上的一個(gè)效應(yīng)最大的位點(diǎn)進(jìn)行了后續(xù)研究。遺傳分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)位點(diǎn)由緊密連鎖的兩個(gè)基因組成，就是前文所提到的“破壞者”和“守衛(wèi)者”。

王超龍告訴記者，在世代繁衍過(guò)程中，當(dāng)攜帶和不攜帶這對(duì)基因的水稻植株進(jìn)行雜交時(shí)，所得到的雜交植株中，凡是不攜帶這對(duì)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(duì)基因。隨著世代的增加，含有該對(duì)基因的后代個(gè)體會(huì)逐漸增加，最終占主導(dǎo)地位，這種遺傳效應(yīng)被稱(chēng)之為“基因驅(qū)動(dòng)”。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，“破壞者”是通過(guò)與細(xì)胞中能量工廠線(xiàn)粒體的一個(gè)核心功能蛋白互作，干擾線(xiàn)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?！笆匦l(wèi)者”還進(jìn)一步將“破壞者”押送到一種叫作自噬體的細(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。

“‘破壞者’和‘守護(hù)者’這對(duì)基因在最開(kāi)始的祖先野生稻中并不存在，隨后產(chǎn)生無(wú)功能的類(lèi)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‘守護(hù)者’功能。”萬(wàn)建民說(shuō)。

他告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，在野生稻中形成之后，經(jīng)過(guò)人類(lèi)的馴化，這種有功能的類(lèi)型僅被一部分秈稻農(nóng)家種繼承，而粳稻農(nóng)家種可能因?yàn)榈鼐壊煌瑳](méi)有繼承這一功能類(lèi)型。由于這對(duì)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(gè)普遍現(xiàn)象。

“這個(gè)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。”萬(wàn)建民說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，利用這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，可以將優(yōu)質(zhì)、高抗、耐逆等優(yōu)良基因與這對(duì)基因串聯(lián)，“驅(qū)動(dòng)”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(shí)間，提高育種效率。“我們還可以通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇等手段規(guī)避該對(duì)基因引起的雜種花粉不育問(wèn)題，從而推進(jìn)水稻亞種間雜種優(yōu)勢(shì)利用和超高產(chǎn)品種的培育?！比f(wàn)建民說(shuō)。

 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)