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7月26日，由中国工程院院士万建民领衔、南京农业大学和中国农业科学院作物科学研究所的科研团队联合攻关，首次从分子层面阐明了籼稻和粳稻杂种不育分子机理、破解了水稻生殖隔离之谜，该成果在国际权威学术期刊《细胞》（Cell）在线发表。至此，继2013年的《自然》（(Nature）成果、2018年的《科学》（Science）成果，万建民院士团队在水稻分子遗传与育种领域接连取得重大科研突破。
作物杂种优势利用是大幅提高粮食产量的重要途径。水稻分籼稻和粳稻两个亚种，我国北方多种植粳稻，南方多种植籼稻。一般来说，品种间亲缘关系越远，杂交优势越明显。如果籼稻和粳稻亚种间能育成超级杂交稻，据预测，可以比现有杂交水稻增产15%以上，因此，如何利用亚种间的超强优势一直受到育种家的关注。然而，籼稻和粳稻之间存在严重的生殖隔离，其杂交种常表现出杂种不育现象，是阻碍杂种优势利用的最大障碍之一。
该研究团队首先在全基因组层面分析鉴定了引起籼稻和粳稻杂种花粉不育的主效位点，然后对位于第12号染色体上的一个效应最大的位点进行了后续研究。遗传分析发现该位点由紧密连锁的两个基因组成，可以分别比喻为“破坏者”和“守卫者”。“破坏者”对所有花粉产生伤害作用，引起花粉的败育；而“守卫者”阻止“破坏者”的伤害作用，因此那些遗传了该基因的花粉，因受到保护能正常发育。在世代繁衍过程中，当携带和不携带这对基因的水稻植株进行杂交时，在得到的杂交植株中，凡是不携带这对基因的花粉都不能正常发育，反之，凡是发育正常的花粉都携带这对基因，随着世代的增加，含有该对基因的后代个体会逐渐增加，最终占主导地位，这种遗传效应被称为“基因驱动”。
进一步的生化研究发现，“破坏者”是通过与细胞中“能量工厂”线粒体的一个核心功能蛋白互作，干扰线粒体的产能功能，花粉因缺能而最终败育；而“守卫者”能与“破坏者”直接互作，阻止其进入产能工厂，从而解除破坏作用。“守卫者”还进一步将“破坏者”押送到一种叫做自噬体的细胞器中进行降解，从而彻底消灭“破坏者”，使花粉的发育不受任何影响。可以这样说，该研究首次从分子层面阐明了水稻杂种不育的机理，实现了该领域里程碑式的突破。
随后，研究人员分析了这对基因在水稻中的起源及其分布。由于这对基因在水稻种间或亚种间的分布不均一，因此它们相互杂交产生花粉不育是普遍现象。利用该研究的发现，可以通过分子标记辅助选择等手段规避花粉败育问题，从而推进水稻亚种间超强优势利用和高产品种的培育。
“能够深入到基因功能水平，完成所有的基因编辑工作，并深入到该系统的细胞生物学层面，甚至到其在水稻的进化，这确实是一项令人震惊和了不起的成就。”《细胞》杂志送审专家对成果这样评价。
中国科学院院士种康表示：“从文章的角度来讲，从遗传到细胞生物学，再到分子生物学，这一套做全了，这个机制从3个层面上做得非常清楚了，在此基础上，团队继续深入，搞清楚了这个模块的来龙去脉，即它的祖先是什么。”
紧扣国家需求、紧跟生产实际、挑战重大科学问题，这是万建民对学生一以贯之的要求，也是团队30年来书写“粮丰民安”科研故事的核心。（ 记者 董鲁皖龙）
发布时间：2023-07-29 00:02
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