萬建民院士團(tuán)隊(duì)闡明秈稻粳稻雜種不育分子機(jī)理 破解水稻生殖隔離之謎

7月26日，由中國工程院院士萬建民領(lǐng)銜、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)，首次從分子層面闡明了秈稻和粳稻雜種不育分子機(jī)理、破解了水稻生殖隔離之謎，該成果在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表。至此，繼2013年的《自然》（(Nature）成果、2018年的《科學(xué)》（Science）成果，萬建民院士團(tuán)隊(duì)在水稻分子遺傳與育種領(lǐng)域接連取得重大科研突破。

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。水稻分秈稻和粳稻兩個(gè)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(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，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。然而，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。

該研究團(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)該位點(diǎn)由緊密連鎖的兩個(gè)基因組成，可以分別比喻為“破壞者”和“守衛(wèi)者”?！捌茐恼摺睂?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，因此那些遺傳了該基因的花粉，因受到保護(hù)能正常發(fā)育。在世代繁衍過程中，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)，在得到的雜交植株中，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)被稱為“基因驅(qū)動(dòng)”。

進(jìn)一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，“破壞者”是通過與細(xì)胞中“能量工廠”線粒體的一個(gè)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(jìn)入產(chǎn)能工廠，從而解除破壞作用。“守衛(wèi)者”還進(jìn)一步將“破壞者”押送到一種叫做自噬體的細(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。可以這樣說，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。

隨后，研究人員分析了這對(duì)基因在水稻中的起源及其分布。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)生花粉不育是普遍現(xiàn)象。利用該研究的發(fā)現(xiàn)，可以通過分子標(biāo)記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問題，從而推進(jìn)水稻亞種間超強(qiáng)優(yōu)勢(shì)利用和高產(chǎn)品種的培育。

“能夠深入到基因功能水平，完成所有的基因編輯工作，并深入到該系統(tǒng)的細(xì)胞生物學(xué)層面，甚至到其在水稻的進(jìn)化，這確實(shí)是一項(xiàng)令人震驚和了不起的成就?！薄都?xì)胞》雜志送審專家對(duì)成果這樣評(píng)價(jià)。

中國科學(xué)院院士種康表示：“從文章的角度來講，從遺傳到細(xì)胞生物學(xué)，再到分子生物學(xué)，這一套做全了，這個(gè)機(jī)制從3個(gè)層面上做得非常清楚了，在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入，搞清楚了這個(gè)模塊的來龍去脈，即它的祖先是什么?！?/p>

緊扣國家需求、緊跟生產(chǎn)實(shí)際、挑戰(zhàn)重大科學(xué)問題，這是萬建民對(duì)學(xué)生一以貫之的要求，也是團(tuán)隊(duì)30年來書寫“糧豐民安”科研故事的核心。（中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng) 記者 董魯皖龍）