“對秈粳稻雜種不育機制的破解，從理論上揭開了生殖隔離的秘密，同時也使得分子設計育種成為可能。”
雜種優勢是大幅度提高作物產量的重要途徑，半個多世紀前，袁隆平成功突破水稻雜交的難題，為我國糧食增產奠定了堅實的基礎。然而，在水稻中，不同亞種之間的生殖隔離導致的雜種不育、半不育問題，一直是科學家們嘗試突破的難題。2023年7月27日，《細胞（cell）》雜志刊登了我國科學家相關新成果，該研究在基因層面揭開了水稻雜種不育、半不育之謎，揭示了基因的演化規律以及其在不同水稻種質資源之間的分布。
研究由中國工程院院士萬建民領銜，中國農業科學院作物科學研究所和南京農業大學的科研團隊合作完成，據介紹，這一研究擴大了水稻雜交的范圍，為不同亞種之間的雜交提供了理論支持，“如果秈稻和粳稻亞種間，能育成超級雜交稻，預計可以比現有雜交水稻增產15%以上。”萬建民說。
秈稻和粳稻具有很強的雜種優勢，但花粉嚴重不育，科學家們找到了引起雜種花粉不育的最主效基因位點。中國農科院作科所供圖
突破雜交水稻的瓶頸
對大眾來說，雜交水稻并非陌生名詞，早在上世紀六七十年代，以袁隆平為代表的科學家們，就攻破了水稻雜交的難題，使得水稻產量實現飛躍性增長，為解決14億人的口糧問題、保障糧食安全做出了卓越的貢獻。
迄今為止，我國水稻雜交技術已經高度成熟，且領先世界，我國水稻平均單產達到全球平均單產的1.7倍。然而，少有人知的是，成熟的雜交技術，更多在亞種內部進行雜交，很難在不同亞種之間實現穩定的雜交。
萬建民介紹，當前我國的栽培水稻主要有兩個亞種，多種植于南方的秈稻和多種植于北方的粳稻，如何利用亞種間的超強優勢，一直受到育種家的關注。然而，亞種之間的雜交，仍存在眾多難以克服的困難，“秈稻和粳稻之間存在嚴重的生殖隔離，其雜交種常表現出雜種不育現象，是阻礙雜種優勢利用的最大障礙之一。”萬建民說。
一般來說，品種間親緣關系越遠，雜交優勢越明顯。如果秈稻和粳稻亞種間能育成超級雜交稻，據預測，可以比現有雜交水稻增產15%以上。但要實現這一點并不容易，中國科學院院士劉耀光介紹，“在進化過程中，物種會出現分化現象，而這種分化會產生生殖隔離，導致雜種不育或育性下降。當前，育種中對雜種優勢的利用，主要集中在亞種內部，但潛力的挖掘已經到了平臺期，而要實現亞種間的雜交，進一步提高對雜種優勢的利用，則必須解決雜種不育這個攔路虎。”
水稻基因里的“攻防戰”
從十多年前開始，萬建民團隊就開始探索和研究亞種間雜交出現的不育問題。團隊成員、南京農業大學博士后、萬建民團隊成員王超龍介紹，通過全基因組分析，團隊首先鑒定了引起秈粳雜種不育的主要基因位點，找到了一個效應最大的位點，然后通過遺傳分析，發現該位點其實有兩個緊密連鎖的基因組成。
有趣的是，這一對緊密連鎖的基因，有著完全相反的功能，其中的一個可以稱之為“破壞者”，它會傷害花粉，進而導致花粉的敗育。而另一基因可以稱之為“守衛者”，它會阻止“破壞者”對花粉的傷害。
這場基因層面的“攻防戰”究竟是如何進行的？進一步的研究發現，“破壞者”是通過與細胞中能量工廠線粒體的一個核心功能蛋白互作，干擾線粒體的產能功能，花粉因缺能而最終敗育；而“守衛者”可以和“破壞者”直接互作，阻止其進入能量工廠，從而解除破壞作用。“守衛者”還進一步將“破壞者”押送到一種叫作自噬體的細胞器中進行降解，從而徹底消滅“破壞者”，使花粉的發育不受任何影響。
“這一研究解釋了物種分化的機制，但又不僅僅是基礎理論的研究，因為這直接破解了生殖隔離、雜種不育的謎題，為育種提供了最有效的理論基礎。”劉耀光說。
時間長河里的分化史
進一步的研究發現，并不是所有的水稻中，都攜帶著這對基因，它們又是如何產生和傳遞的？王超龍介紹，團隊科研人員對這對基因的起源和分布進行了分析和研究。
研究顯示，這對互為對手而又緊密連鎖的基因，在水稻最早的祖先野生稻中并不存在，沿著水稻馴化和演變的歷史一路追索，科研人員最終在亞洲栽培稻的祖先“普通野生稻”中，發現了具有“破壞者”和“守衛者”功能的這對基因。
隨后，在馴化過程中，有該功能的類型僅被一部分秈稻農家種繼承，而因為地緣不同，粳稻農家種可能沒有繼承這一功能類型。而在現代水稻育種中，科學家們無意間將這對基因，從秈稻引入粳稻，使得它們在粳稻群體中快速擴散，到目前為止，秈稻和粳稻80%的種群中，都攜帶這一基因，這也是秈稻和粳稻之間出現生殖隔離、導致雜種不育的重要原因。
“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種普遍現象。”王超龍說。
解開了秈稻粳稻雜種不育或半不育的秘密，也就意味著有了攻克這一難題的突破口，中國科學院院士種康評價這一成果時表示，“這一研究在分子設計育種中，有著重要的意義，為未來分子設計育種奠定了理論基礎。”
超級稻或將進入新階段
利用水稻雜種優勢，育成更高產的水稻品種，是數十年來科學家們一直在努力的目標，其中最具典型的代表，無疑是“超級稻”。
超級稻最早由日本科學家提出，我國也在1996年開始“超級稻”計劃，2022年，我國“超級稻”最高畝產已經創出1138.5公斤的紀錄。
“未來一定是秈粳稻雜交的時代，這可能帶來水稻產量新的大幅度增長。”萬建民說。
事實上，我國當前已經有了秈稻和粳稻雜交的品種，如育成于寧波的“甬優”系列，育成于中國農科院的“中優”系列等。
秈稻與粳稻的雜交品種，不僅具有更高的產量，同時也具有多種雜種優勢，比如在風味上，同時具有秈稻的松軟和粳稻的口感。“現有的雜交品種，雖然品質風味可能還達不到稻花香的水準，但普遍都是高品質的水稻。”萬建民說。
不過，這些已經育成的秈粳雜交水稻，更多是以傳統的雜交方法選育而成，凝聚了育種家們數十年漫長的堅持和努力，在無數材料中選育成功，科學家們并不了解何以成功的深層機制和原理。
“過去人工在田間選擇，通過表型去判斷和選育，耗時很長，效率卻不高。”王超龍說，“同時也因為不明白底層機制，很難復制和推廣，更不太可能實現精準育種。”
未來水稻育種的新方法
隨著農業科技的發展，分子生物學、基因組學等領域的技術不斷應用到育種之中，相應的育種技術日新月異，精準高效地育種，已成為普遍的需求。
然而，精準育種需要對作物基因的功能進行精準的鑒定和了解，在未能探明水稻亞種間雜種不育機制之前，很難利用現代生物學技術進行精準育種。
而在探明秈稻與粳稻生殖隔離、雜種不育的機制后，科研人員發現，可以通過分子標記輔助選擇等手段規避花粉敗育問題，從而推進水稻亞種間超強優勢利用和高產品種的培育。
“對秈粳稻雜種不育機制的破解，從理論上揭開了生殖隔離的秘密，同時也使得分子設計育種成為可能。”種康說，“這是一種非常精巧和全面的研究思路。”
“破解秈稻和粳稻亞種間的生殖隔離，實現秈、粳雜種優勢的利用，是水稻育種中一次里程碑式的進步，這使得我們距離水稻單產的再次飛躍又前進了一大步。”中國農科院院長、中國工程院院士吳孔明說。
值得注意的是，該研究還發現，利用新發現的“連鎖基因”在水稻間廣泛傳遞的特性，科學家們可以將優質、高抗、耐逆等優良基因，與這對基因串聯，“驅動”這些優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，精準獲得具有多種優良特性的水稻新品種，“也就是說，在未來，我們可以通過分子設計的方式，精準地設計和培育我們需要的品種。”王超龍說。
