北京時間7月26日23時，國際期刊《細胞》在線發(fā)表九三學社中央農林專門委員會主任、中國工程院院士萬建民領銜，中國農業(yè)科學院和南京農業(yè)大學的科研團隊合作完成的重大成果——“闡明水稻雜種不育分子機理，破解水稻生殖隔離之謎”。該成果為利用亞種間雜種優(yōu)勢培育高產品種提供了理論和技術支撐，使我國超級雜交稻有望育成，比現(xiàn)有雜交水稻增產15%以上。

萬建民長期從事水稻優(yōu)異基因挖掘和分子育種研究，在國內較早提出和初步實踐了作物分子設計育種。這項破解水稻生殖隔離之謎的研究歷時13年，萬建民團隊曾于2018年運用自私基因模型揭示了水稻的雜種不育現(xiàn)象。本次研究成果是繼自私基因之后，該團隊在水稻“雜種不育”領域取得的又一突破性進展。

作物雜種優(yōu)勢利用是大幅提高糧食產量的重要途徑。我國北方多種植粳稻，南方多種植秈稻。上世紀七十年代以來，袁隆平先生研發(fā)的雜交水稻主要就是通過利用秈稻亞種內的雜種優(yōu)勢培育雜交稻，實現(xiàn)了水稻大幅增產，帶來第二次“綠色革命”，為我國乃至世界糧食安全作出了突出貢獻。

萬建民介紹，一般來說，品種間親緣關系越遠，雜交優(yōu)勢越明顯。如果秈稻和粳稻亞種間能育成超級雜交稻，據預測，可以比現(xiàn)有雜交水稻增產15%以上。

如何利用亞種間的超強優(yōu)勢一直受到育種家的關注。然而秈稻和粳稻之間存在嚴重的生殖隔離，其雜交種常表現(xiàn)出花粉不育、小穗結實率低、子粒不飽滿等“雜種不育”現(xiàn)象，嚴重阻礙了這一雜種優(yōu)勢的利用。

粳稻（臺中65）和秈稻（廣陸矮4號）具有很強的雜種優(yōu)勢，但花粉嚴重不育，其中RHS12位點是引起雜種花粉不育的最主效位點

萬建民研究團隊首先在全基因組層面系統(tǒng)鑒定了引起秈稻和粳稻雜種花粉不育的位點，并對其中一個位于第12號染色體上最主效的位點進行了遺傳分析，發(fā)現(xiàn)該位點由緊密連鎖的兩個基因組成。這兩個基因可以分別比喻為“破壞者”和“守衛(wèi)者”，“破壞者”對所有花粉產生傷害作用、引起花粉的敗育，“守護者”具有阻止“破壞者”傷害的作用，因此那些遺傳了該基因的花粉，因受到保護能正常發(fā)育。

研究團隊同時還分析了這對基因在水稻中的起源及其分布。萬建民透露，“破壞者”和“守護者”這對基因在最開始的祖先野生稻中并不存在，最后在亞洲栽培稻的祖先——普通野生稻中進化出，后在經人類馴化過程中僅被一部分秈稻農家種繼承，而粳稻農家種可能因為地緣不同沒有繼承這一功能類型。

由于這對基因在水稻種間或亞種間的分布不均一，因此它們相互雜交產生花粉不育是一個普遍現(xiàn)象。利用該研究的發(fā)現(xiàn)，可以通過分子標記輔助選擇等手段規(guī)避花粉敗育問題，從而推進水稻亞種間超強優(yōu)勢利用和高產品種的培育。

該研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代水稻育種無意中將這對基因從秈稻引入粳稻后，其在粳稻種群中快速擴散，進一步說明了這對基因的“基因驅動”特性。利用這一特性，可以將優(yōu)良基因（如優(yōu)質、高抗、耐逆）與這對基因串聯(lián)，“驅動”這些優(yōu)良基因在后代群體中快速傳播和純合，從而大大縮短育種時間，提高育種效率。這一發(fā)現(xiàn)也為分子設計育種提供了新思路。