日前，中国农业科学院发布了《2024中国农业科学重大进展》，遴选出10项具有重大突破的基础科学研究成果，涵盖水稻、玉米、马铃薯、白菜等重要农作物，涉及杂交育种、基因编辑等生物技术。本版即日起推出“农业生物技术新突破”系列报道，展现我国生物技术前沿亮点。
我国南方多籼稻，北方多粳稻，那么能否破解籼稻和粳稻生殖隔离之谜，培育出兼具南北特色、融合两者优势的杂交品种？
多年来，科研人员一直在探求这一问题的答案。为破解水稻生殖隔离之谜，由中国工程院院士万建民领衔，中国农业科学院作物科学研究所研究人员和南京农业大学研究人员组成的科研团队，阐明了籼稻、粳稻杂种不育分子机理，为利用亚种间杂种优势培育高产水稻品种提供了重要理论和技术支撑。相关研究成果发表在国际期刊《细胞》上。
亚种间杂交存在生殖隔离
“杂种优势利用是重要育种手段之一，是大幅提高粮食产量的重要途径。”万建民介绍，水稻分为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。上世纪70年代以来，袁隆平院士研发创新的杂交水稻技术，实现了水稻的大幅增产。
迄今为止，我国水稻杂交技术已经高度成熟且世界领先，我国水稻平均单产达到全球平均单产的1.7倍。然而，鲜有人知的是，成熟的杂交技术，更多在亚种内部进行杂交，很难在不同亚种之间实现稳定的杂交。
“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，这是阻碍杂种优势利用的最大障碍之一。”万建民说。
一般来说，品种间亲缘关系越远，杂交优势越明显。据预测，若能成功培育出籼稻与粳稻亚种间的超级杂交稻，其产量有望比现有杂交水稻提高15%以上。但要实现这一点并不容易，中国科学院院士刘耀光进一步解释说，在进化过程中，物种会出现分化现象，而这种分化会产生生殖隔离，导致杂种不育或育性下降。当前的育种工作中，杂种优势利用主要集中在亚种内部，但进一步挖掘空间有限，而要实现亚种间的杂交，进一步提高对杂种优势的利用，则必须解决杂种不育这个“拦路虎”。
发现“破坏者”和“守卫者”基因
10多年前，万建民团队就开始探索并解决亚种间杂交出现的不育问题。团队成员、南京农业大学博士后、论文第一作者王超龙介绍，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，并对位于第12号染色体上的一个效应最大的位点进行了深入研究。他们通过遗传分析，发现该位点由紧密连锁的两个基因组成，这两个基因一个是“破坏者”，另一个是“守卫者”。
研究发现，“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”能阻止“破坏者”的伤害作用，因此只有那些遗传了“守卫者”基因的花粉才能受到保护并正常发育。在世代繁衍过程中，当携带这对基因和不携带这对基因的水稻植株进行杂交，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。换言之，凡是发育正常的花粉都携带这对基因。因此，随着世代的增加，含有这对基因的后代个体会迅速增加，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’通过与细胞中能量工厂线粒体中的一个核心功能蛋白互作，干扰线粒体的产能功能，导致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，并进一步将‘破坏者’押送到一种名为自噬体的细胞器中进行降解，从而彻底消灭‘破坏者’，使花粉的发育不再受影响。”王超龙说，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。
万建民介绍，研究还发现，“破坏者”和“守护者”这对基因在最开始的祖先野生稻中并不存在，随后演化出无功能的类型，最后在亚洲栽培稻的祖先——普通野生稻中进化出“破坏者”和“守卫者”功能。在普通野生稻中形成之后，经过人类的驯化，这对基因仅被部分籼稻农家种继承，而粳稻农家种可能因为地缘不同没有继承。由于这对基因在水稻种间或亚种间的分布不均，因此水稻种间或亚种间相互杂交产生花粉不育就成为了一个普遍现象。
朝着水稻单产飞跃再迈进一步
在探明籼稻与粳稻生殖隔离、杂种不育的机制后，科研人员发现，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。“这一研究扩大了水稻杂交的范围，为不同亚种之间的杂交提供了理论支持。”万建民说，利用本次研究成果，可以推进水稻亚种间杂交稻高产品种的培育。
研究还发现，现代水稻育种无意中将这对基因从籼稻引入粳稻后，其在粳稻种群中快速扩散，进一步说明了这对基因的“基因驱动”特性。利用这一特性，研究人员可以将优良基因，如优质、高抗、耐逆等基因与这对基因串联，驱动这些优良基因在后代群体中快速传播和纯合，从而大大缩短育种时间，提高育种效率，精准获得具有多种优良特性的水稻新品种。“也就是说，在未来，我们可以通过分子设计的方式，精准地设计和培育我们需要的品种。”王超龙说。
“破解籼稻和粳稻亚种间的生殖隔离，实现籼、粳杂种优势利用，是水稻育种中一次里程碑式的进步，这使得我们朝着水稻单产的再次飞跃又前进了一大步。”中国农业科学院院长、中国工程院院士吴孔明说。
中国科学院院士种康也表示：“这一研究在分子设计育种中，有着重要的意义，为未来分子设计育种奠定了理论基础。”
