粳稻和秈稻是水稻的兩個亞種，二者之間存在生殖隔離現(xiàn)象——雜交后得到的植株，其花粉常常嚴重不育，影響正常結籽。這一問題長期困擾著水稻育種家。近日，由中國工程院院士萬建民領銜、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所和南京農(nóng)業(yè)大學合作的科研團隊，鑒定并深入解析了引起雜種花粉不育的最主效基因位點，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支撐。
水稻是我國的主糧作物，粳稻多種植在北方，而秈稻多種植在南方。二十世紀七十年代以來，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的雜交，實現(xiàn)了水稻大幅增產(chǎn)，為我國乃至世界糧食安全做出了突出貢獻。
萬建民介紹，在育種上，利用作物的雜種優(yōu)勢正是大幅提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。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，不能結籽，嚴重影響產(chǎn)量，成為阻礙培育秈稻和粳稻亞種間超級雜交稻的最大障礙之一。
由此，該研究團隊在全基因組層面尋找引起這種雜種不育的“罪魁禍首”，最終“鎖定”了其中一個效應最大的基因位點。分析發(fā)現(xiàn)，該位點由一對獨特的基因組成，它們成對出現(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。研究團隊進一步詳細解析了“破壞者”基因和“守護者”基因在細胞內部具體作用的分子機制?？梢哉f，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。
研究團隊就此解開了粳稻和秈稻雜種花粉的不育之謎：這對基因是在亞洲栽培稻的祖先——普通野生稻中進化出來的。后來，經(jīng)過人類的馴化，這對基因被一部分秈稻繼承，而粳稻卻沒有繼承。因此，這對基因在水稻種間或亞種間的分布不均勻，它們相互雜交時，后代雜交種的部分花粉中不攜帶這對基因，由此引發(fā)了雜種不育現(xiàn)象。
萬建民表示，利用本次研究的發(fā)現(xiàn)，可以通過分子標記輔助選擇等手段，規(guī)避花粉敗育而引發(fā)的不育問題，從而推進水稻亞種間雜交稻高產(chǎn)品種的培育。相關研究成果于2023年7月26日發(fā)表在《細胞》上。
圖為秈稻（廣陸矮4號）和粳稻（臺中65）雜交F1表現(xiàn)出嚴重的雜種不育現(xiàn)象。
