当产量高、米质好的“亚洲稻”，“联姻”不怕恶劣环境、抗病虫能力强的“非洲稻”，杂交产生的后代却花粉活力极低，结实率大幅下降。亚非稻种强强联手为何会遭遇“生殖危机”，这是农业科学家一直追寻的问题。近日，中国工程院院士万建民研究团队最新研究成果首次揭示了亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离的分子机制——一套由“矛”“盾”“甲”三个基因组成的精密遗传冲突系统。这一发现为打破水稻种间生殖屏障、培育超高产亚非杂交稻新品种提供了重要的理论基础和种质资源。相关研究成果8月28日在国际权威学术期刊《Science》在线发表。
亚洲稻与非洲稻的“相爱相杀”
水稻养活了全球超过一半人口，也是我国最重要的粮食作物之一。稻属共有24个种，其中被人类驯化栽培的仅有亚洲栽培稻和非洲栽培稻两个栽培种。亚洲栽培稻产量高、品质好，是我们餐桌上的常客；非洲栽培稻虽然产量略逊一筹，却身怀“绝技”：耐高温、耐干旱、耐贫瘠，还自带多种抗病虫本领。
科学家们注意到，如果能让这两种水稻“联姻”，把各自的优点集于一身，有望培育出更高产、更稳产的水稻新品种。然而，这两位“朋友”之间存在严重的生殖隔离——它们杂交产生的后代花粉活力极低，结实率大幅下降，就像一道无形的屏障，阻断了优良基因的交流重组和种间杂种优势的利用。
万建民院士团队围绕“水稻杂种不育克服与杂种优势利用”这一关乎水稻产量、抗性和品质的关键命题持续深耕。团队通过广泛杂交、测交，发掘并报道了27个新不育位点及广亲和基因，产生了一系列突破性成果：2018年，团队发现并克隆了种间杂种不育基因qHMS7，揭示了自私基因操纵杂种育性的机制；2023年，团队又发现并克隆了籼粳亚种间杂种不育基因RHS12，揭示了“毒药—解药”杂种不育系统选择性引起花粉败育的分子机理。
分子层面的“矛—盾—甲”攻防战
历时18年持续攻关，万建民院士团队终于找到了问题的关键。科研人员形象地发现，水稻体内有一套独特的“矛、盾、甲”基因制衡系统，就像一套自带的攻防机制，直接导致了亚非水稻的杂交不育。
“我们通过基因编辑技术敲除目标基因，先找到了‘矛’是哪个基因，最后再挖掘出‘甲’。”南京农业大学赵志刚教授介绍，“有了‘矛、盾、甲’三元件，我们才把机制完整地解释出来。”
研究聚焦于引起亚洲栽培稻和非洲栽培稻种间杂种不育的主效位点RHS3，RHS3位点由三个基因（ORF4、ORF10和ORF16）组成。团队用中国古兵器“矛”“盾”“甲”生动地为之命名：ORF10编码的蛋白定位在线粒体中，像一把“矛”，能够破坏线粒体功能、杀死花粉；ORF16编码的蛋白像一面“盾”，能与“矛”相互作用、化解其杀伤力，保护配子正常发育；ORF4编码的蛋白则像一副“铠甲”，作为植物特有的选择性自噬受体，通过与“盾”互作形成“矛-盾-甲”的结合体，将“矛”送入细胞的“回收站”自噬体进行降解，从而特异性地保护雌配子。
该发现首次揭示了选择性自噬参与植物种间生殖隔离的分子机制，即“甲”是植物特有的选择性自噬受体，可直接介导“矛”进入自噬降解途径，进而调控种间生殖隔离。
更有趣的是，非洲栽培稻拥有完整的“矛—盾—甲”三件套，而亚洲栽培稻只有一副“甲”。杂交后代因此产生两类花粉：一类继承了完整的“矛—盾—甲”，安然无恙；另一类只继承了“甲”却没有“盾”，便被“矛”攻击而败育，最终导致杂种花粉半不育。
研究还追踪了这套系统的演化轨迹：“甲”为禾本科植物特有基因，“矛”起源于展颖野生稻，“盾”起源于南方野生稻。二者可能通过渐渗杂交，即物种间自然杂交导致基因“渗入”对方基因组的过程，最终进入非洲栽培稻的祖先巴蒂野生稻，并在其中逐步组装成一套功能完整的遗传系统。
找到打破生殖隔离的“钥匙”
此次研究尤为重要的是，研究团队鉴定到一种“盾”有功能而“矛”失活的广亲和种质。这种材料分别与亚洲栽培稻和非洲栽培稻杂交，都能有效克服RHS3位点导致的育性下降问题。这意味着，科学家找到了一把打破生殖隔离的“钥匙”，为利用亚非栽培稻远缘杂种优势提供了切实可行的技术路径和种质资源。
数据显示，我国水稻种植面积和总产量均位居全球第二，平均单产约为全球平均水平的1.5倍。半个世纪以来，杂交水稻技术助力中国以不足全球9%的耕地，解决了世界近五分之一人口的吃饭问题。然而，现有杂交水稻主要为亚种内或亚种间杂种，种间杂种优势尚未得到有效利用。
一般而言，物种间遗传分化程度越高，生殖隔离机制越复杂，杂种优势利用的难度越大；但相应的，一旦实现突破，种间杂种优势所蕴藏的产量潜力也更为可观。亚洲栽培稻与非洲栽培稻分属稻属不同栽培种，遗传分化显著，其种间杂种优势的挖掘与利用正是万建民院士团队长期聚焦的核心命题。
从亚种间到种间，从单一基因到完整遗传系统，万建民院士团队的研究轨迹清晰地勾勒出一条解码水稻生殖隔离的系统路径。破解这个机制之后，万建民院士团队手里也拿到了打破杂交壁垒的特殊稻种资源。这意味着，今后可以培育出更高产、更耐逆境的新型杂交水稻，在现有基础上，产量有望再提升三成以上。
“我们的工作主要是为培育超级水稻提供一种技术方案，去帮助解决亚非水稻杂种优势利用的最关键问题——杂种不育。”论文第一作者、南京农业大学博士研究生何晓栋表示，“亚非杂种优势比目前研发的籼粳杂种优势更强大，它可以在目前亚种内杂种优势的基础上，先提升20%的产量，然后种间的杂种优势进一步增长10%以上。”
业内专家认为，这项研究不仅首次揭示了选择性自噬参与植物种间生殖隔离的分子机制，具有重要的基础科学价值，更为突破水稻种间生殖隔离、培育超高产杂交稻新品种提供了理论支撑和种质资源，对保障国家粮食安全具有深远意义。
接下来，万建民院士团队将围绕多个杂种不育位点继续深耕，目标是早日培育出能够投入生产应用的远缘杂交超高产水稻新品种。
【农民日报】我国科学家解锁亚非稻种间“联姻”密码
原文链接：
https://newapp2.farmer.com.cn/share/#/news_detail?contentType=5&contentId=250106&cId=0
阅读次数：15
【 转载本网文章请注明出处 】
