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中国科研人员再获水稻研究新进展

来源:中新社
摘要:华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室14日对外公布,中国科学院院士张启发率领的课题组一项最新研究成果,揭示了水稻籼粳亚种间生殖隔离机理。该成果以《一个矛-盾体系调控水稻的杂种不育和偏分离》为题,发表在14日出版的国际顶级学术期刊《科学》上。亚洲栽培稻分为籼稻和粳稻两个亚种,籼粳亚种间的杂种优势要远大......

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  华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室14日对外公布,中国科学院院士张启发率领的课题组一项最新研究成果,揭示了水稻籼粳亚种间生殖隔离机理。该成果以《一个矛-盾体系调控水稻的杂种不育和偏分离》为题,发表在14日出版的国际顶级学术期刊《科学》上。  

  亚洲栽培稻分为籼稻和粳稻两个亚种,籼粳亚种间的杂种优势要远大于籼粳亚种内的优势。但由于自然界普遍存在的亚种之间生殖隔离法则,籼粳稻亚种间杂种育性下降,结实率很低。受此制约,长期以来,杂交水稻的育种工作基本限制在亚种内进行,亚种之间更加强大的杂种优势难以得到利用。

  后来,有科学家发现存在着能突破生殖隔离的水稻资源,被称为广亲和品种。国际水稻科研工作者在上世纪80年代就发现,S5可能是控制水稻籼粳杂种不育性状,导致广亲和现象的主效基因位点。鉴于广亲和基因的重大价值,1987年中国启动国家“863”计划时,就将分离克隆该基因列入研究计划。

  从1990年开始,张启发课题组经过18年努力,并与多家研究单位合作,于2008年成功克隆了S5位点的5号基因。但他们仍困惑的是,仅5号基因作用无法解释该位点引起杂种不育机理。历经4年努力后,此次发表最新成果表明,两个与之紧密连锁的基因(3号和4号基因)与5号基因协同作用控制杂种不育及广亲和现象。

  张启发院士介绍说,该研究揭示了水稻籼粳杂种育性调控的分子机制,为有关籼粳杂种不育、物种生殖隔离分子机理、生物进化的研究提供了借鉴和参考。

  张启发院士表示,水稻籼粳亚种间杂种不育是生殖隔离的一个典型例子。该项成果将在水稻品种改良中有广阔的应用前景,其有关信息可被直接用于发掘其他广亲和基因,培育广亲和品种,进而有效地跨越生殖隔离,克服水稻籼粳亚种间杂种的不育性,利用籼粳亚种间强大的杂种优势提高水稻产量。

  华中农业大学博士研究生杨江义、赵晓波和程珂为此项研究成果论文的共同第一作者,张启发院士为论文通讯作者。

  杨江义博士介绍说,生殖隔离在物种进化和新物种的形成中作用十分重要。国外对生殖隔离基因的研究主要集中在果蝇,在植物中研究很少。

研究人员发现一组三个基因是水稻杂种不育性的关键所在,也是许多杂交水稻品种无法将它们基因传递给下一代的主要原因,从而提出了一种模型,认为在所有水稻品种中都存在的杂种不育现象,这些发现将有助于对作为主要食物储备的水稻进行遗传改良。

该研究成果发表在Science杂志上,文章的通讯作者是华中农业大学张启发院士。

当两个不同的物种交配时,例如一匹马与一头驴交配,它们的杂交后代——此处指的是骡子生而就是不育的。这种被称为杂种不育的现象并不局限于动物王国:大量的植物能产生可存活的杂种,但这些杂种在遗传上就进了死胡同。

来自华中农业大学的杨坚毅(Jiangyi Yang,音译),与香港中文大学的研究人员合作探索了栽培稻Oryza sativa中的籼稻和粳稻亚种之间的杂种不育性。

研究人员聚焦于水稻染色体上的一个特殊区域:S5,此前他们曾发现这一区域与杂种不育有关。结果研究人员发现了三个紧密连锁的基因:ORF3,ORF4,ORF5调控着籼-粳稻杂种的不育性,他们表示,其中ORF5基因扮演着“杀手”的角色,ORF4辅助它,而ORF3则功能相反,作为保护者存在。

显然,在籼稻-粳稻杂种中,杀手基因和它的助手合作,杀死了雌性配子,或称卵子,而保护基因则积极地挽救雌配子。研究人员具体解释道,ORF5基因能编码一种分子,传递信号给ORF4,从而导致细胞内质网上的胁迫增加,并最终激活了ORF3,而ORF3的作用正是稳定和保护内质网。

研究人员发现这种杀手-保护者系统是这两种水稻间杂交不育的基础,他们提出,ORF4 和 ORF5这种非致命性的组合允许籼稻-粳稻杂种将其基因传递给后代,从而克服这一杂种不育现象,为培育更为理想的水稻品种奠定基础。

这项研究得到了国家自然科学基金会、863项目及111项目的资助。国际稻子研究所的D.S. Brar提供了稻种。

(生物通:张迪)

作者: 2012-9-16
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