陕西
亚洲栽培稻与非洲栽培稻杂交，育出的后代为何花粉大量败育，稻穗又瘪又少？这个困扰了育种界几十年的难题，随着28日国际学术期刊《科学》在线发表的一项重要论文揭开谜底——中国工程院院士万建民领衔的研究团队在亚洲栽培稻与非洲栽培稻的杂交植株中，发现了由三个基因组成的精密遗传冲突系统，它们导致水稻花粉败育。这首次揭示出这两个水稻种间生殖隔离的分子机制，为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。
在水稻“家族”中，被人类驯化栽培的仅有亚洲栽培稻和非洲栽培稻。科学家们希望这两种水稻“联姻”，培育出高产又“皮实”的水稻新品种。然而，亚洲栽培稻和非洲栽培稻杂交的后代，花粉活力极低，结实率大幅下降，阻断了优良基因的交流重组和种间杂种优势的利用。
究竟是什么导致“1+1<2”？团队经过18年攻关，在亚洲栽培稻和非洲栽培稻的杂交植株中，解析出第3号染色体上基因位点RHS3的分子机制。
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。研究团队供图
论文共同第一作者、南京农业大学博士研究生何晓栋解释，RHS3位点由基因ORF10、ORF16和ORF4组成，它们形成了一套遗传冲突系统。其中，ORF10编码的蛋白像一把“矛”，破坏为水稻供能的线粒体，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，保护胚囊和花粉正常发育；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，从而特异性地保护胚囊。
值得关注的是，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”。这导致它们杂交的后代产生两类花粉：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。
“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ORF4是植物特有的选择性自噬受体，可直接诱导ORF10经自噬降解，进而调控种间生殖隔离。”论文共同通讯作者、南京农业大学教授王超龙表示。
更为重要的是，研究团队鉴定到一种“盾”有功能而“矛”失去活性的广亲和性种质。这类种质分别与亚洲栽培稻和非洲栽培稻杂交，均能有效克服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技术路径和种质资源。
万建民表示，下一步，团队将围绕水稻多个杂种不育位点深入研究，力争早日培育出能够投入生产的远缘杂交超高产水稻新品种。
编辑｜李紫来审核｜赵允
来源｜科技日报
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