編者按 日前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布了《2024中國農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進展》，遴選出10項具有重大突破的基礎(chǔ)科學(xué)研究成果，涵蓋水稻、玉米、馬鈴薯、白菜等重要農(nóng)作物，涉及雜交育種、基因編輯等生物技術(shù)。本版即日起推出“農(nóng)業(yè)生物技術(shù)新突破”系列報道，展現(xiàn)我國生物技術(shù)前沿亮點。
我國南方多秈稻，北方多粳稻，那么能否破解秈稻和粳稻生殖隔離之謎，培育出兼具南北特色、融合兩者優(yōu)勢的雜交品種？
多年來，科研人員一直在探求這一問題的答案。為破解水稻生殖隔離之謎，由中國工程院院士萬建民領(lǐng)銜，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究人員和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員組成的科研團隊，闡明了秈稻、粳稻雜種不育分子機理，為利用亞種間雜種優(yōu)勢培育高產(chǎn)水稻品種提供了重要理論和技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《細胞》上。
亞種間雜交存在生殖隔離
“雜種優(yōu)勢利用是重要育種手段之一，是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。”萬建民介紹，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。上世紀70年代以來，袁隆平院士研發(fā)創(chuàng)新的雜交水稻技術(shù)，實現(xiàn)了水稻的大幅增產(chǎn)。
迄今為止，我國水稻雜交技術(shù)已經(jīng)高度成熟且世界領(lǐng)先，我國水稻平均單產(chǎn)達到全球平均單產(chǎn)的1.7倍。然而，鮮有人知的是，成熟的雜交技術(shù)，更多在亞種內(nèi)部進行雜交，很難在不同亞種之間實現(xiàn)穩(wěn)定的雜交。
“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，這是阻礙雜種優(yōu)勢利用的最大障礙之一。”萬建民說。
一般來說，品種間親緣關(guān)系越遠，雜交優(yōu)勢越明顯。據(jù)預(yù)測，若能成功培育出秈稻與粳稻亞種間的超級雜交稻，其產(chǎn)量有望比現(xiàn)有雜交水稻提高15%以上。但要實現(xiàn)這一點并不容易，中國科學(xué)院院士劉耀光進一步解釋說，在進化過程中，物種會出現(xiàn)分化現(xiàn)象，而這種分化會產(chǎn)生生殖隔離，導(dǎo)致雜種不育或育性下降。當(dāng)前的育種工作中，雜種優(yōu)勢利用主要集中在亞種內(nèi)部，但進一步挖掘空間有限，而要實現(xiàn)亞種間的雜交，進一步提高對雜種優(yōu)勢的利用，則必須解決雜種不育這個“攔路虎”。
發(fā)現(xiàn)“破壞者”和“守衛(wèi)者”基因
10多年前，萬建民團隊就開始探索并解決亞種間雜交出現(xiàn)的不育問題。團隊成員、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后、論文第一作者王超龍介紹，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，并對位于第12號染色體上的一個效應(yīng)最大的位點進行了深入研究。他們通過遺傳分析，發(fā)現(xiàn)該位點由緊密連鎖的兩個基因組成，這兩個基因一個是“破壞者”，另一個是“守衛(wèi)者”。
研究發(fā)現(xiàn)，“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”能阻止“破壞者”的傷害作用，因此只有那些遺傳了“守衛(wèi)者”基因的花粉才能受到保護并正常發(fā)育。在世代繁衍過程中，當(dāng)攜帶這對基因和不攜帶這對基因的水稻植株進行雜交，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，含有這對基因的后代個體會迅速增加，最終占主導(dǎo)地位，這種遺傳效應(yīng)被稱為“基因驅(qū)動”。
“進一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，‘破壞者’通過與細胞中能量工廠線粒體中的一個核心功能蛋白互作，干擾線粒體的產(chǎn)能功能，導(dǎo)致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’押送到一種名為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。”王超龍說，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(lǐng)域里程碑式的突破。
萬建民介紹，研究還發(fā)現(xiàn)，“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，隨后演化出無功能的類型，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。在普通野生稻中形成之后，經(jīng)過人類的馴化，這對基因僅被部分秈稻農(nóng)家種繼承，而粳稻農(nóng)家種可能因為地緣不同沒有繼承。由于這對基因在水稻種間或亞種間的分布不均，因此水稻種間或亞種間相互雜交產(chǎn)生花粉不育就成為了一個普遍現(xiàn)象。
朝著水稻單產(chǎn)飛躍再邁進一步
在探明秈稻與粳稻生殖隔離、雜種不育的機制后，科研人員發(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。“這一研究擴大了水稻雜交的范圍，為不同亞種之間的雜交提供了理論支持。”萬建民說，利用本次研究成果，可以推進水稻亞種間雜交稻高產(chǎn)品種的培育。
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(qū)動”特性。利用這一特性，研究人員可以將優(yōu)良基因，如優(yōu)質(zhì)、高抗、耐逆等基因與這對基因串聯(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，精準獲得具有多種優(yōu)良特性的水稻新品種。“也就是說，在未來，我們可以通過分子設(shè)計的方式，精準地設(shè)計和培育我們需要的品種。”王超龍說。
“破解秈稻和粳稻亞種間的生殖隔離，實現(xiàn)秈、粳雜種優(yōu)勢利用，是水稻育種中一次里程碑式的進步，這使得我們朝著水稻單產(chǎn)的再次飛躍又前進了一大步。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長、中國工程院院士吳孔明說。
中國科學(xué)院院士種康也表示：“這一研究在分子設(shè)計育種中，有著重要的意義，為未來分子設(shè)計育種奠定了理論基礎(chǔ)。”
編者按 日前，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布了《2024中國農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進展》，遴選出10項具有重大突破的基礎(chǔ)科學(xué)研究成果，涵蓋水稻、玉米、馬鈴薯、白菜等重要農(nóng)作物，涉及雜交育種、基因編輯等生物技術(shù)。本版即日起推出“農(nóng)業(yè)生物技術(shù)新突破”系列報道，展現(xiàn)我國生物技術(shù)前沿亮點。
我國南方多秈稻，北方多粳稻，那么能否破解秈稻和粳稻生殖隔離之謎，培育出兼具南北特色、融合兩者優(yōu)勢的雜交品種？
多年來，科研人員一直在探求這一問題的答案。為破解水稻生殖隔離之謎，由中國工程院院士萬建民領(lǐng)銜，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究人員和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員組成的科研團隊，闡明了秈稻、粳稻雜種不育分子機理，為利用亞種間雜種優(yōu)勢培育高產(chǎn)水稻品種提供了重要理論和技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《細胞》上。
亞種間雜交存在生殖隔離
“雜種優(yōu)勢利用是重要育種手段之一，是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。”萬建民介紹，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。上世紀70年代以來，袁隆平院士研發(fā)創(chuàng)新的雜交水稻技術(shù)，實現(xiàn)了水稻的大幅增產(chǎn)。
迄今為止，我國水稻雜交技術(shù)已經(jīng)高度成熟且世界領(lǐng)先，我國水稻平均單產(chǎn)達到全球平均單產(chǎn)的1.7倍。然而，鮮有人知的是，成熟的雜交技術(shù)，更多在亞種內(nèi)部進行雜交，很難在不同亞種之間實現(xiàn)穩(wěn)定的雜交。
“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，這是阻礙雜種優(yōu)勢利用的最大障礙之一。”萬建民說。
一般來說，品種間親緣關(guān)系越遠，雜交優(yōu)勢越明顯。據(jù)預(yù)測，若能成功培育出秈稻與粳稻亞種間的超級雜交稻，其產(chǎn)量有望比現(xiàn)有雜交水稻提高15%以上。但要實現(xiàn)這一點并不容易，中國科學(xué)院院士劉耀光進一步解釋說，在進化過程中，物種會出現(xiàn)分化現(xiàn)象，而這種分化會產(chǎn)生生殖隔離，導(dǎo)致雜種不育或育性下降。當(dāng)前的育種工作中，雜種優(yōu)勢利用主要集中在亞種內(nèi)部，但進一步挖掘空間有限，而要實現(xiàn)亞種間的雜交，進一步提高對雜種優(yōu)勢的利用，則必須解決雜種不育這個“攔路虎”。
發(fā)現(xiàn)“破壞者”和“守衛(wèi)者”基因
10多年前，萬建民團隊就開始探索并解決亞種間雜交出現(xiàn)的不育問題。團隊成員、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后、論文第一作者王超龍介紹，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，并對位于第12號染色體上的一個效應(yīng)最大的位點進行了深入研究。他們通過遺傳分析，發(fā)現(xiàn)該位點由緊密連鎖的兩個基因組成，這兩個基因一個是“破壞者”，另一個是“守衛(wèi)者”。
研究發(fā)現(xiàn)，“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”能阻止“破壞者”的傷害作用，因此只有那些遺傳了“守衛(wèi)者”基因的花粉才能受到保護并正常發(fā)育。在世代繁衍過程中，當(dāng)攜帶這對基因和不攜帶這對基因的水稻植株進行雜交，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，含有這對基因的后代個體會迅速增加，最終占主導(dǎo)地位，這種遺傳效應(yīng)被稱為“基因驅(qū)動”。
“進一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，‘破壞者’通過與細胞中能量工廠線粒體中的一個核心功能蛋白互作，干擾線粒體的產(chǎn)能功能，導(dǎo)致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’押送到一種名為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。”王超龍說，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(lǐng)域里程碑式的突破。
萬建民介紹，研究還發(fā)現(xiàn)，“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，隨后演化出無功能的類型，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。在普通野生稻中形成之后，經(jīng)過人類的馴化，這對基因僅被部分秈稻農(nóng)家種繼承，而粳稻農(nóng)家種可能因為地緣不同沒有繼承。由于這對基因在水稻種間或亞種間的分布不均，因此水稻種間或亞種間相互雜交產(chǎn)生花粉不育就成為了一個普遍現(xiàn)象。
朝著水稻單產(chǎn)飛躍再邁進一步
在探明秈稻與粳稻生殖隔離、雜種不育的機制后，科研人員發(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。“這一研究擴大了水稻雜交的范圍，為不同亞種之間的雜交提供了理論支持。”萬建民說，利用本次研究成果，可以推進水稻亞種間雜交稻高產(chǎn)品種的培育。
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(qū)動”特性。利用這一特性，研究人員可以將優(yōu)良基因，如優(yōu)質(zhì)、高抗、耐逆等基因與這對基因串聯(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，精準獲得具有多種優(yōu)良特性的水稻新品種。“也就是說，在未來，我們可以通過分子設(shè)計的方式，精準地設(shè)計和培育我們需要的品種。”王超龍說。
“破解秈稻和粳稻亞種間的生殖隔離，實現(xiàn)秈、粳雜種優(yōu)勢利用，是水稻育種中一次里程碑式的進步，這使得我們朝著水稻單產(chǎn)的再次飛躍又前進了一大步。”中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長、中國工程院院士吳孔明說。
中國科學(xué)院院士種康也表示：“這一研究在分子設(shè)計育種中，有著重要的意義，為未來分子設(shè)計育種奠定了理論基礎(chǔ)。”
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