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南农院士团队破解水稻杂交不育“密码”
2018-06-13 10:10:00  来源:新华日报  
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  继小鼠、线虫之后,南京农业大学万建民院士团队在水稻中发现了“自私基因”,这也是人类首次在植物领域找到挑战孟德尔遗传定律的例证,国际顶级学术期刊《科学》8日发表了这一成果。

  《自私的基因》是英国演化理论学者道金斯的经典著作,讲的是基因会尽可能保存并复制自己。而根据孟德尔第一定律,双亲的基因会等概率分配给下一代,“自私基因”会打破这种均衡。

  在长达七千多年的驯化过程中,水稻家族演化出籼稻和粳稻两大亚种。近几十年来,杂交水稻技术为我国粮食增产作出了巨大贡献。但是目前的杂交水稻都是集中在单一亚种之间的,比如袁隆平院士的杂交水稻、绿色超级稻等,都是籼稻亚种之间的杂交。

  科学界普遍认为,水稻籼粳杂交可比其他杂交稻进一步提高单产15%至30%。然而,籼稻和粳稻在杂交中最大的问题是会出现花粉不育、小穗结实率低、子粒不饱满等杂种不育现象,通常有50%左右不能结实,为什么?

  随着研究的深入,万建民及团队发现了其中的奥秘,因为粳稻具有一项神秘“武器” ——自私基因。粳稻拥有的自私基因位点包含三个相邻的基因ORF1、ORF2和ORF3,第一个基因没有什么作用,第二个基因是毒蛋白,起到杀死配子的作用,第三个基因是解毒蛋白,起到保护配子的作用。而南方野生稻只含有ORF1、ORF2两个基因,在杂交后,粳稻中的毒基因产物将南方野生稻的配子杀死了,这就是自私现象。

  论文第一作者、南京农业大学余晓文博士打了个比方,解毒蛋白类似花粉发育过程中的“护花使者”,若早期的花粉细胞中不含有解毒蛋白,其发育过程中会因为没有受到保护,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保护,“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介绍说,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,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,在经过长期的演化之后,90%以上都含有ORF3。

  有意思的是,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,并在稻种驯化过程中传递到亚洲栽培稻中。

  余晓文认为,今后如果能找到一种具有“广泛亲和力”的品种,让ORF3更加“博爱”,保护其他花粉,也许可以克服杂种不育的障碍,充分发挥野生稻种资源的杂交优势,提高水稻单产。

  本报记者 王 拓

标签:南农;水稻
责编:邵文晶
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