万建民院士科研团队用自私基因模型揭示水稻杂种不育现象

人民网北京6月9日电（蒋建科、全思懋、许天颖）中国农业科学院、南京农业大学万建民院士团队创造性地运用自私基因模型揭示了水稻的杂种不育现象，6月8日，国际顶级学术杂志《科学》Science在线出版了这一突破性成果。水稻是世界上最主要的粮食作物之一，提高水稻产量对国家粮食安全意义重大。科学界普遍认为，利用水稻籼粳交的杂种优势可以提高15%至30%的单产，但是同时会出现花粉不育、小穗结实率低、子粒不饱满等杂种不育现象。论文第一作者、南京农业大学农学院博士后余晓文告诉记者，这其中，是“自私基因”在作祟。《自私的基因》是英国演化理论学者理查德?道金斯的经典著作，这一概念说的是双亲杂交后，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，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，从而维持物种自身的稳定性。为什么说水稻基因也“自私”呢？余晓文打了个比喻，在水稻将要形成花粉的细胞（花粉母细胞）中，自私基因系统中存在毒蛋白和解毒蛋白，解毒蛋白类似花粉发育过程中的“护身符”，若花粉细胞中不含有解毒蛋白，其发育过程就会因为没有护法，不可避免地受到毒蛋白的“毒害”，最终导致死亡；而含有解毒蛋白的花粉细胞，其发育过程犹如多了一层护法，会自动消除毒蛋白的毒害作用，顺利完成发育，使亲本自身的遗传信息更多地传递给后代，“自私”地维持了物种自身的稳定性。论文第一作者、南京农业大学农学院赵志刚教授向记者介绍，这种类似于“矛”与“盾”关系的毒蛋白和解毒蛋白，其实就是水稻中紧密连锁的基因ORF2和ORF3的产物，团队以亚洲栽培稻品种滇粳优1号和南方野生稻为研究材料，系统解析了水稻自私基因位点qHMS7的遗传构成，发现ORF2基因编码一个毒性蛋白，对全部花粉的发育有毒害作用，而ORF3基因则编码一个解毒蛋白，“选择性（配子体效应）”地保护携带它的花粉，确保其可育，非常“自私”。研究发现，普通野生稻中，约50%的材料含有ORF3，经过长期的演化，栽培稻中，90%以上都含有ORF3。有意思的是，南农大科研团队还探寻出了水稻自私基因演化的“古战场”。 “大反派”毒蛋白ORF2原本只是个“跑龙套”的，而能够将其“绳之以法”的解毒蛋白ORF3其实是由一个看似微不足道的ORF1基因进化而来的。在漫长的“祖先野生稻-普通野生稻-亚洲栽培稻”的演化过程中， ORF1没有功能，但一直被保留，ORF2是从没有毒性功能的单倍型逐步演变成有毒性功能的单倍型，而ORF3则是在普通野生稻中由ORF1基因的复制而产生，并在随后的稻种驯化过程中传递到亚洲栽培稻。值得一提的是，20多年来，万建民院士团队一直致力于破解“籼粳交”杂种优势有效利用难题，2015年，团队发掘出水稻广亲和、早熟和显性矮秆基因，开发相应分子标记和育种技术，成功培育籼粳交高产水稻新品种，荣获国家技术发明奖二等奖。团队这次在《科学》期刊发表的突破性成果，延续了杂种优势利用的科学命题，首次用自私基因模型揭示了水稻的杂种不育现象，阐明了自私基因在维持植物基因组的稳定性、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。在实践意义上，可以创制“广亲和”材料，克服杂种不育障碍，充分利用杂种优势和野生种质资源，提高水稻单产。据了解，南京农业大学农学院余晓文博士后和赵志刚教授为该论文第一作者，中国农业科学院副院长万建民院士为通讯作者。中国农业科学院作物科学研究所王海洋研究员、吴传银研究员和云南农科院粮食作物研究所陶大云研究员为该篇论文的共同通讯作者。该项研究是南京农业大学与中国农业科学院作物科学研究所全面合作完成，前期和后期工作分别与云南农科院粮食作物研究所、中国科学院植物所等单位合作完成，研究得到国家重点研发项目、国家自然基金云南联合基金等项目的资助。