編者按 日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布了《2024中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展》，遴選出10項(xiàng)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(bào)道，展現(xiàn)我國(guó)生物技術(shù)前沿亮點(diǎn)。
我國(guó)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(shì)的雜交品種？
多年來(lái)，科研人員一直在探求這一問(wèn)題的答案。為破解水稻生殖隔離之謎，由中國(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)研究所研究人員和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)，闡明了秈稻、粳稻雜種不育分子機(jī)理，為利用亞種間雜種優(yōu)勢(shì)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(guó)際期刊《細(xì)胞》上。
亞種間雜交存在生殖隔離
“雜種優(yōu)勢(shì)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(wàn)建民介紹，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。上世紀(jì)70年代以來(lái)，袁隆平院士研發(fā)創(chuàng)新的雜交水稻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水稻的大幅增產(chǎn)。
迄今為止，我國(guó)水稻雜交技術(shù)已經(jīng)高度成熟且世界領(lǐng)先，我國(guó)水稻平均單產(chǎn)達(dá)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(jìn)行雜交，很難在不同亞種之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雜交。
“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，這是阻礙雜種優(yōu)勢(shì)利用的最大障礙之一。”萬(wàn)建民說(shuō)。
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。據(jù)預(yù)測(cè)，若能成功培育出秈稻與粳稻亞種間的超級(jí)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并不容易，中國(guó)科學(xué)院院士劉耀光進(jìn)一步解釋說(shuō)，在進(jìn)化過(guò)程中，物種會(huì)出現(xiàn)分化現(xiàn)象，而這種分化會(huì)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(shì)利用主要集中在亞種內(nèi)部，但進(jìn)一步挖掘空間有限，而要實(shí)現(xiàn)亞種間的雜交，進(jìn)一步提高對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的利用，則必須解決雜種不育這個(gè)“攔路虎”。
發(fā)現(xiàn)“破壞者”和“守衛(wèi)者”基因
10多年前，萬(wàn)建民團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始探索并解決亞種間雜交出現(xiàn)的不育問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)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(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)，并對(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)行了深入研究。他們通過(guò)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，這兩個(gè)基因一個(gè)是“破壞者”，另一個(gè)是“守衛(wèi)者”。
研究發(fā)現(xiàn)，“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”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(hù)并正常發(fā)育。在世代繁衍過(guò)程中，當(dāng)攜帶這對(duì)基因和不攜帶這對(duì)基因的水稻植株進(jìn)行雜交，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。換言之，凡是發(fā)育正常的花粉都攜帶這對(duì)基因。因此，隨著世代的增加，含有這對(duì)基因的后代個(gè)體會(huì)迅速增加，最終占主導(dǎo)地位，這種遺傳效應(yīng)被稱(chēng)為“基因驅(qū)動(dòng)”。
“進(jìn)一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，‘破壞者’通過(guò)與細(xì)胞中能量工廠線粒體中的一個(gè)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(jìn)入產(chǎn)能工廠，并進(jìn)一步將‘破壞者’押送到一種名為自噬體的細(xì)胞器中進(jìn)行降解，從而徹底消滅‘破壞者’，使花粉的發(fā)育不再受影響。”王超龍說(shuō)，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。
萬(wàn)建民介紹，研究還發(fā)現(xiàn)，“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，隨后演化出無(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“守衛(wèi)者”功能。在普通野生稻中形成之后，經(jīng)過(guò)人類(lèi)的馴化，這對(duì)基因僅被部分秈稻農(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。由于這對(duì)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(gè)普遍現(xiàn)象。
朝著水稻單產(chǎn)飛躍再邁進(jìn)一步
在探明秈稻與粳稻生殖隔離、雜種不育的機(jī)制后，科研人員發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問(wèn)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。“這一研究擴(kuò)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(wàn)建民說(shuō)，利用本次研究成果，可以推進(jìn)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(wú)意中將這對(duì)基因從秈稻引入粳稻后，其在粳稻種群中快速擴(kuò)散，進(jìn)一步說(shuō)明了這對(duì)基因的“基因驅(qū)動(dòng)”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(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，精準(zhǔn)獲得具有多種優(yōu)良特性的水稻新品種。“也就是說(shuō)，在未來(lái)，我們可以通過(guò)分子設(shè)計(jì)的方式，精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)和培育我們需要的品種。”王超龍說(shuō)。
“破解秈稻和粳稻亞種間的生殖隔離，實(shí)現(xiàn)秈、粳雜種優(yōu)勢(shì)利用，是水稻育種中一次里程碑式的進(jìn)步，這使得我們朝著水稻單產(chǎn)的再次飛躍又前進(jìn)了一大步。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士吳孔明說(shuō)。
中國(guó)科學(xué)院院士種康也表示：“這一研究在分子設(shè)計(jì)育種中，有著重要的意義，為未來(lái)分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ)。”
編者按 日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院發(fā)布了《2024中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)重大進(jìn)展》，遴選出10項(xiàng)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(bào)道，展現(xiàn)我國(guó)生物技術(shù)前沿亮點(diǎn)。
我國(guó)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(shì)的雜交品種？
多年來(lái)，科研人員一直在探求這一問(wèn)題的答案。為破解水稻生殖隔離之謎，由中國(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)研究所研究人員和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員組成的科研團(tuán)隊(duì)，闡明了秈稻、粳稻雜種不育分子機(jī)理，為利用亞種間雜種優(yōu)勢(shì)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(guó)際期刊《細(xì)胞》上。
亞種間雜交存在生殖隔離
“雜種優(yōu)勢(shì)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(wàn)建民介紹，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。上世紀(jì)70年代以來(lái)，袁隆平院士研發(fā)創(chuàng)新的雜交水稻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水稻的大幅增產(chǎn)。
迄今為止，我國(guó)水稻雜交技術(shù)已經(jīng)高度成熟且世界領(lǐng)先，我國(guó)水稻平均單產(chǎn)達(dá)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(jìn)行雜交，很難在不同亞種之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雜交。
“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，這是阻礙雜種優(yōu)勢(shì)利用的最大障礙之一。”萬(wàn)建民說(shuō)。
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。據(jù)預(yù)測(cè)，若能成功培育出秈稻與粳稻亞種間的超級(jí)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并不容易，中國(guó)科學(xué)院院士劉耀光進(jìn)一步解釋說(shuō)，在進(jìn)化過(guò)程中，物種會(huì)出現(xiàn)分化現(xiàn)象，而這種分化會(huì)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(shì)利用主要集中在亞種內(nèi)部，但進(jìn)一步挖掘空間有限，而要實(shí)現(xiàn)亞種間的雜交，進(jìn)一步提高對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的利用，則必須解決雜種不育這個(gè)“攔路虎”。
發(fā)現(xiàn)“破壞者”和“守衛(wèi)者”基因
10多年前，萬(wàn)建民團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始探索并解決亞種間雜交出現(xiàn)的不育問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)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(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)，并對(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)行了深入研究。他們通過(guò)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，這兩個(gè)基因一個(gè)是“破壞者”，另一個(gè)是“守衛(wèi)者”。
研究發(fā)現(xiàn)，“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”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(hù)并正常發(fā)育。在世代繁衍過(guò)程中，當(dāng)攜帶這對(duì)基因和不攜帶這對(duì)基因的水稻植株進(jìn)行雜交，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。換言之，凡是發(fā)育正常的花粉都攜帶這對(duì)基因。因此，隨著世代的增加，含有這對(duì)基因的后代個(gè)體會(huì)迅速增加，最終占主導(dǎo)地位，這種遺傳效應(yīng)被稱(chēng)為“基因驅(qū)動(dòng)”。
“進(jìn)一步的生化研究發(fā)現(xiàn)，‘破壞者’通過(guò)與細(xì)胞中能量工廠線粒體中的一個(gè)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(jìn)入產(chǎn)能工廠，并進(jìn)一步將‘破壞者’押送到一種名為自噬體的細(xì)胞器中進(jìn)行降解，從而徹底消滅‘破壞者’，使花粉的發(fā)育不再受影響。”王超龍說(shuō)，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。
萬(wàn)建民介紹，研究還發(fā)現(xiàn)，“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，隨后演化出無(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“守衛(wèi)者”功能。在普通野生稻中形成之后，經(jīng)過(guò)人類(lèi)的馴化，這對(duì)基因僅被部分秈稻農(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。由于這對(duì)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(gè)普遍現(xiàn)象。
朝著水稻單產(chǎn)飛躍再邁進(jìn)一步
在探明秈稻與粳稻生殖隔離、雜種不育的機(jī)制后，科研人員發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問(wèn)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。“這一研究擴(kuò)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(wàn)建民說(shuō)，利用本次研究成果，可以推進(jìn)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(wú)意中將這對(duì)基因從秈稻引入粳稻后，其在粳稻種群中快速擴(kuò)散，進(jìn)一步說(shuō)明了這對(duì)基因的“基因驅(qū)動(dòng)”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(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，精準(zhǔn)獲得具有多種優(yōu)良特性的水稻新品種。“也就是說(shuō)，在未來(lái)，我們可以通過(guò)分子設(shè)計(jì)的方式，精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)和培育我們需要的品種。”王超龍說(shuō)。
“破解秈稻和粳稻亞種間的生殖隔離，實(shí)現(xiàn)秈、粳雜種優(yōu)勢(shì)利用，是水稻育種中一次里程碑式的進(jìn)步，這使得我們朝著水稻單產(chǎn)的再次飛躍又前進(jìn)了一大步。”中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士吳孔明說(shuō)。
中國(guó)科學(xué)院院士種康也表示：“這一研究在分子設(shè)計(jì)育種中，有著重要的意義，為未來(lái)分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ)。”
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