Science | 万建民院士团队揭示亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离机制，为超高产亚非杂交稻培育提供理论基础

2026年08月28日，万建民院士团队在Science在线发表了题为A tripartite genetic conflict system controls hybrid sterility in rice的研究论文，揭示了亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离机制，为超高产亚非杂交稻培育提供了重要理论基础。

水稻是全球超过一半人口的主粮，也是我国最重要的粮食作物之一。稻属共有24个种，其中仅有亚洲栽培稻和非洲栽培稻两个栽培种。亚洲栽培稻具有产量高、品质好等优良特性；非洲栽培稻虽然产量水平低于亚洲栽培稻，却具有耐高温、耐旱、耐瘠薄及抗病虫等优异抗逆特性。亚非栽培稻种间杂交可以聚合双方有利基因，实现优势互补与相互改良。此外，研究表明亚非栽培稻种间杂种具有强大的杂种优势，有望培育出更高产、稳产的亚非杂交稻新品种。然而，亚非栽培稻种间存在严重的生殖隔离，其种间杂种F1表现出极低的花粉和小穗育性，严重制约了双方优良基因的交流重组以及种间杂种优势的利用。

图1 亚洲栽培稻、非洲栽培稻及其杂种F1的植株、花粉及小穗表型

针对这一关键科学问题，万建民院士团队经过多年持续攻关，在水稻第3号染色体上鉴定到一个控制亚非栽培稻种间杂种花粉不育的主效位点RHS3。该位点能够选择性地引起携带亚洲栽培稻等位基因的花粉败育，从而导致杂种F1花粉呈现半不育表型。遗传分析表明，RHS3位点是由ORF10、ORF16和ORF4三个基因组成。其中，ORF10编码线粒体定位的“破坏者”蛋白（命名为“矛”）；ORF16编码线粒体和叶绿体双定位的“保护者”蛋白（命名为“盾”）；ORF4编码叶绿体和自噬体双定位的“保护者”蛋白（命名为“甲”），这三个基因协同组成一套精密的杂种不育控制系统。在基因组构成上，非洲栽培稻携带完整的“矛-盾-甲”三元件，而亚洲栽培稻仅携带“甲”一个元件。因此，亚非栽培稻杂种F1会产生两种类型的配子：一类同时携带ORF10（矛）-ORF16（盾）-ORF4（甲），另一类仅携带ORF4（甲）。其中，仅携带ORF4（甲）的雄配子由于缺少“盾”的保护而发生败育，最终导致F1花粉半不育。

图2 “矛-盾-甲”三元复合体调控亚非栽培稻种间杂种不育的分子机制

机制研究表明，“矛”通过破坏线粒体的功能，引起配子败育；“盾”通过与“矛”互作，消除其破坏作用，保护配子正常发育；而“甲”通过与“盾”互作后形成“矛-盾-甲”三元蛋白复合体，将“矛”转运到自噬体降解，从而特异性地保护雌配子。进一步的研究发现，“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。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。对“矛-盾-甲”三基因遗传系统的演化规律分析发现，“甲”为禾本科特有基因，“矛”起源于展颖野生稻，“盾”起源于南方野生稻。“矛”和“盾”可能通过渐渗杂交进入非洲栽培稻的祖先野生稻种——巴蒂野生稻，并在其中逐步形成具有完整功能的遗传系统。

该研究还鉴定到了“盾”具有功能、“矛”失活的广亲和种质。这一种质分别与亚洲栽培稻和非洲栽培稻杂交，均可克服由RHS3位点引起的育性下降的问题。这一发现有望突破亚非栽培稻种间生殖隔离，为利用亚非栽培稻远缘杂种优势提供技术支撑和种质资源。

图3 “矛-盾-甲”遗传系统调控水稻亚非种间杂种不育的遗传与分子模型

南京农业大学、钟山实验室何晓栋博士、赵志刚教授、邵坤博士、余晓文教授、中科院华南植物园朱莹博士后和华南农业大学汤金涛博士后为本论文的并列第一作者。万建民院士、南京农业大学王超龙教授、中国农业科学院作科所吴传银研究员和王海洋研究员、华南农业大学陈乐天教授为本论文的共同通讯作者。研究得到了中央高校青年教师科研创新能力支持、国家重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年科学基金、江苏省自然科学基金杰出青年基金、钟山实验室重点项目等资助，以及农业农村部长江中下游粳稻生物学与遗传育种重点实验室和江苏省现代作物生产协同创新中心的支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5252