科学家发现控制水稻杂种不育基因

作者:王晓东 来源:中国日报网
2018-06-11 16:54:46
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中国日报6月11日电(记者 王晓东)杂交稻对解决我国粮食安全问题作出了巨大贡献。但如何进一步提高杂交稻的产量,急需寻找新的技术途径。研究表明,水稻籼粳亚种间杂交稻比目前的杂交稻能进一步提高单产15%-30%,但籼粳杂种存在半不育的问题,严重制约了籼粳杂交稻产量的提高。中国农业科学院万建民院士团队在解决这一难题上取得了突破性进展,发现自私基因系统控制水稻杂种不育,并影响稻种基因组的分化。

据万建民院士介绍,自私基因是指双亲杂交后,父本或母本中能控制其自身的DNA片段优先遗传给后代的基因。它使亲本自身的遗传信息能更多、更快地复制,并能更多地传递给子代,其遗传不符合孟德尔遗传规律。2017年《Science》报道了小鼠和线虫自私基因的非孟德尔遗传现象。这些研究表明在动物中自私基因驱动了基因组的进化,并影响了物种自身的稳定性。但在植物中的相关研究尚未有任何报道。

万建民院士领衔的科研团队以亚洲栽培稻粳稻品种(Oryza sativa ssp. japonica)和南方野生稻(Oryza meridionalis)为研究材料,系统解析了野生稻与栽培稻间杂种不育问题与遗传特性。研究发现,其不育性受水稻自私基因位点qHMS7的控制,并发现其包含三个紧密连锁的基因ORF1、ORF2和ORF3,其中ORF1基因编码一个未知功能的蛋白;ORF2基因编码一个杀配子的毒性蛋白,以母体效应导致花粉死亡;而ORF3基因编码一个解毒蛋白,以配子体效应保护配子,使携带ORF3基因的花粉可育。在“祖先野生稻-普通野生稻-亚洲栽培稻”的演化过程中,ORF1一直被保留,ORF2从没有毒性功能逐步演变成有毒性功能的类型,ORF3是在普通野生稻中由ORF1基因复制产生,并获得解毒功能,在随后的稻种驯化过程中被选择传递到亚洲栽培稻品种。研究表明,粳稻品种同时携带毒性的ORF2和解毒的ORF3,而南方野生稻只含有无毒性的ORF2,在其杂种F1中,携带南方野生稻基因型的花粉因缺乏ORF3保护而死亡,携带粳稻品种基因型的花粉因有ORF3保护而存活,最终导致后代中没有纯合的南方野生稻基因型个体存在,群体分离不符合经典的孟德尔遗传模式。

该研究阐明了自私基因在维持植物基因组的稳定性和促进新物种的形成中的分子机制,探讨了毒性-解毒分子机制在水稻杂种不育上的普遍性,为揭示水稻籼粳亚种间杂种雌配子选择性致死的本质提供了理论借鉴。早在1986年,日本学者池桥宏提出广亲和基因的概念,即携带广亲和基因的品种与典型的籼稻或粳稻杂交,杂种F1育性正常,这些品种被称为广亲和品种。1988年袁隆平先生提出利用广亲和品种来解决籼粳杂种不育的难题。但进一步研究发现广亲和性是相对的,即广亲和品种与部分的籼稻或粳稻杂交,其杂种后代能正常结实,而与其他籼稻或粳稻品种杂交仍存在不育性,且关于广亲和基因的相关分子机制仍不清楚。本研究表明ORF3就是广亲和基因。在深入了解水稻杂种不育的分子遗传机理基础上,可利用基因编辑技术对具毒性功能的自私基因进行编辑删除,创制广亲和的水稻新种质,实现籼粳交杂种优势的有效利用,为籼粳亚种间杂交稻品种的培育提供基础。

该研究于6月8日在《Science》上在线出版。中国农业科学院与南京农业大学共同合作完成该项研究,研究受到中国农业科学院科技创新工程的大力支持。

(编辑:程尔凡 张少虎)

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