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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）
楚天都市报讯 (记者乐毅 通讯员范敬群 胡今天)籼稻和粳稻的结合曾被认为能产生更具增产优势的新稻种，但其杂交种育性下降，结实率很低。最近，华中农业大学张启发研究团队破解了籼稻粳稻“无果之恋”的谜题，相关论文昨在《科学》杂志上发表。
张启发团队经4年研究发现，籼稻和粳稻的遗传基因“命中不合”：在籼稻的基因中，存在一种“杀手基因”，在籼稻粳稻杂种中，“杀手基因”杀死了粳稻中的雌性配子，使其不能繁育。据悉，此项研究成果将为培育更为理想的水稻品种奠定基础。
驴马杂交生骡子，骡子不会下崽子，水稻家族亦如此：籼稻与粳稻不能杂交。但自然界的另一水稻“广亲和”品种却能与籼稻与粳稻杂交。昨天，华农透露，该校张启发团队成功破译了“广亲和”品种能与籼稻与粳稻杂交的生物密码。
昨天，该成果发表在《科学》杂志上，博士生杨江义、赵晓波和程珂为共同第一作者，张启发为通讯作者。
人类目前已栽培的水稻主要分为籼稻和粳稻两种。水稻杂交多半是在籼稻与粳稻各自的“家族”内部进行，一旦让籼稻和粳稻之间“通婚”，其“后代”就不堪入目，结实率很低，就跟驴和马杂交生的骡子不育一样。但籼粳亚种间的杂种优势要远大于籼粳亚种内的优势。
后来，日本专家发现在籼稻与粳稻两大亚种之外，存在着另一种水稻品种“广亲和”，它既能与籼稻“婚配”，又能与粳稻“婚配”，且杂交的后代结实率高，但不知是哪个基因起作用，也不知道其原理。2008年，张启发团队发现并克隆出这个基因—S5基因。
四年后的今天，张启发团队成功找到水稻“育”和“不育”的原因：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。
张启发介绍，一旦知晓了“育”和“不育”的原因，科学家们就可以利用其原理，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。
目前，袁隆平等人的杂交水稻，多是在籼稻与籼稻、粳稻与粳稻之间杂交。业内人士称，籼粳亚种间实现杂交的话，将会使目前的杂交水稻产量可以提高到15%-30%。
9月14日从我校作物遗传改良国家重点实验室获悉，由中国科学院院士张启发教授率领的课题组最新研究成果揭示了水稻籼粳亚种间生殖隔离的机理，论文以“A killer-protector system regulates both hybrid sterility and segregation distortion in rice”为题，于9月14日在《科学》杂志（Science）发表。我校博士研究生杨江义、赵晓波和程珂为该文章共同第一作者，张启发教授为通讯作者。这是我校研究成果首次在《科学》杂志发表。
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，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。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。鉴于广亲合基因的重大价值，1987年国家启动“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年不懈的努力，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，该成果2008年在《美国国家科学院院刊》发表。然而，仍然使他们困惑的是，仅5号基因的作用无法解释该位点引起杂种不育的机理。又历经4年，此次发表的最新成果表明，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。在籼稻中，3号和5号基因有功能（3+，5+），4号基因没有功能（4-）；粳稻则相反，4号基因有功能（4+），3号、5号没有功能（3-，5-）。有功能的5号与4号基因一起（4+，5+），构成杀手，而3号基因（3+）则行使保护者作用。在雌配子（又称卵子）形成过程中，4号和5号基因（4+，5+）共同作用杀死配子，籼型配子由于3+的保护，正常存活，粳型配子（3-）无3+的保护而死亡。其结果，籼粳杂种表现为半不育。广亲和品种没有杀配子的功能，故能与籼、粳稻均能产生正常可育杂种。
生殖隔离在物种进化和新物种的形成中起着十分重要的作用，一直是生物进化研究中的重要课题。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。水稻籼粳亚种间杂种不育是生殖隔离的一个典型例子。S5位点同时具备了籼粳不育基因和广亲和基因，“造物主”制造了亚种之间的隔离，却又留下了跨越鸿沟的桥梁，这种看似矛盾的存在是生物进化中很奇特的现象。4号基因和5号基因组合产生了生殖隔离，使籼粳稻分化，造就了遗传多样性和丰富的稻种资源，而广亲和品种的存在则给籼粳亚种间基因交流提供了桥梁，保障了稻种的整体性，由此形成了多样性与整体性的统一。
张启发介绍，该研究从分子水平对S5的作用机理进行了比较完善的阐述，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。该项成果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。
