2018-06-11 10:44:08 常理
經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)-中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)北京6月8日訊（記者 常理）北京時(shí)間6月8日，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)布了“水稻自私基因?qū)е路敲系聽栠z傳”研究成果。該成果由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)共同合作完成，研究受到中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程的大力支持。
據(jù)悉，自私基因系統(tǒng)控制水稻雜種不育，并影響稻種基因組的分化。此次研究成果，將為水稻雜交育種，進(jìn)而有效提高水稻產(chǎn)量提供有力的理論和技術(shù)支撐。
對(duì)此，《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者采訪了研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，中國工程院院士、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長(zhǎng)萬建民。
增產(chǎn)的秘密
我國是水稻的發(fā)源地，在長(zhǎng)達(dá)七千多年的馴化過程中，水稻家族演化出秈稻和粳稻兩大亞種。
其中，秈稻比較適宜生長(zhǎng)在高溫、強(qiáng)光和多濕的熱帶及亞熱帶地區(qū)，主要分布在我國的華南熱帶和淮河以南的亞熱帶低地；粳稻比較適宜生長(zhǎng)在氣候暖和的溫帶、熱帶高地，在我國主要分布于南部熱帶、亞熱帶的高地、華東太湖流域以及華北、西北、東北等溫度較低的地區(qū)。
近幾十年來，雜交水稻技術(shù)的推廣為我國糧食增產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)。但是目前的雜交水稻都是集中在單一亞種之間的，比如袁隆平院士的雜交水稻、綠色超級(jí)稻等，都是在秈稻亞種之間進(jìn)行的雜交。
科學(xué)界普遍認(rèn)為，水稻秈粳雜交可比其他雜交稻進(jìn)一步提高單產(chǎn)15%至30%。“這對(duì)于提高水稻產(chǎn)量，保障國家糧食安全有著至關(guān)重要的作用。”萬建民說。
然而，秈稻和粳稻在雜交中最大的問題是會(huì)出現(xiàn)花粉不育、小穗結(jié)實(shí)率低、子粒不飽滿等雜種不育現(xiàn)象，通常有50%左右不能結(jié)實(shí)。
“常規(guī)水稻品種結(jié)實(shí)率要在80%以上，但是粳秈雜交只有不高于50%的結(jié)實(shí)率。”萬建民坦言，結(jié)實(shí)率80%以上是一個(gè)前提，如果達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，那么就沒法實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。
在此次發(fā)布的研究成果中，萬建民團(tuán)隊(duì)采用栽培稻粳稻品種和南方野生稻品種為研究材料，之所以選這兩個(gè)品種，是因?yàn)槟戏揭吧臼乾F(xiàn)代栽培秈稻粳稻的共同祖先，它攜帶了更多更全面的遺傳基因。
在試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)栽培稻與南方野生稻雜交后雜種雖然能長(zhǎng)出更多的穗粒，但是絕大部分都是空稻殼，最終的結(jié)實(shí)率僅有1%至2%，基本可以忽略不計(jì)，由此，科學(xué)家們提出了假設(shè)，一定是有哪些基因控制了雜交稻不結(jié)實(shí)。
“所以我們要找出其不結(jié)實(shí)的原因，同時(shí)找到如何讓其結(jié)實(shí)的辦法。”萬建民告訴記者。
“自私”的基因
那么，為什么不結(jié)實(shí)呢？
隨著研究的深入，萬建民及團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘，因?yàn)榫揪哂幸豁?xiàng)神秘“武器” ——自私基因。
什么是自私基因，它是干什么用的？
英國演化理論學(xué)者理查德·道金斯在其經(jīng)典著作《自私的基因》中給出了詳細(xì)闡述，這一概念說的是雙親雜交后，父本或母本中能控制其自身的DNA片段優(yōu)先遺傳給后代的基因，使親本自身的遺傳信息能更多、更快地復(fù)制，并能更多地傳遞給子代，從而維持物種自身的穩(wěn)定性。
“拿人類作比方，父母能控制住自身基因能更多地傳遞給后代，所以大部分人就是像一方的多像另一方的少，這種類型的基因稱為自私基因。”萬建民對(duì)記者說，但是值得注意的是，這一現(xiàn)象卻不符合孟德爾遺傳定律。經(jīng)典定律認(rèn)為，基因是有均等機(jī)會(huì)分配給后代的，即父母親的基因遺傳給后代的概率是等同的。而實(shí)際情況是，大部分人是更像父母親的某一方。所以，人類在遺傳過程中，也出現(xiàn)了大量的“自私現(xiàn)象”。
這種現(xiàn)象是上世紀(jì)90年代就有研究文章報(bào)道的。2017年，《科學(xué)》雜志報(bào)道了小鼠和線蟲自私基因的非孟德爾遺傳現(xiàn)象。這些研究表明在動(dòng)物中自私基因驅(qū)動(dòng)了基因組的進(jìn)化，并影響了物種自身的穩(wěn)定性。此次水稻自私基因的發(fā)現(xiàn)，在植物界尚屬首例。
萬建民及團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，粳稻擁有的自私基因位點(diǎn)包含三個(gè)相鄰的基因ORF1、ORF2和ORF3，第一個(gè)基因沒有什么作用，第二個(gè)基因是毒蛋白，起到殺死配子的作用，第三個(gè)基因是解毒蛋白，起到保護(hù)配子的作用。而南方野生稻只含有ORF1、ORF2兩個(gè)基因，并不具有保護(hù)配子的基因。
因此在雜交后，粳稻中的毒基因產(chǎn)物將南方野生稻的配子殺死了，也就是說粳稻的自私基因發(fā)揮了作用，同時(shí)用ORF3基因保護(hù)了自己的配子，這就是自私現(xiàn)象。
論文第一作者余曉文博士打了個(gè)比方，解毒蛋白類似花粉發(fā)育過程中的“護(hù)花使者”，若早期的花粉細(xì)胞中不含有解毒蛋白，其發(fā)育過程中會(huì)因?yàn)闆]有收到保護(hù)，不可避免地受到毒蛋白的“毒害”，最終導(dǎo)致死亡；而含有解毒蛋白的花粉細(xì)胞，其發(fā)育過程猶如多了一層保護(hù)，會(huì)自動(dòng)消除毒蛋白的毒害作用，順利完成發(fā)育，使親本自身的遺傳信息更多地傳遞給后代，“自私”地維持了物種自身的穩(wěn)定性。
“此次研究成果對(duì)我們解決秈粳雜交不育將起到重大作用，我們可以對(duì)自私基因進(jìn)行基因編輯，刪除毒蛋白基因，同時(shí)選擇保留解毒基因，從而徹底解決秈粳雜交不育問題。”萬建民如是說。
基因的“矛”與“盾”
論文第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院趙志剛教授介紹說，這種類似于“矛”與“盾”關(guān)系的毒蛋白和解毒蛋白，其實(shí)就是水稻中緊密連鎖的基因ORF2和ORF3的產(chǎn)物，團(tuán)隊(duì)以亞洲栽培稻品種滇粳優(yōu)1號(hào)和南方野生稻為研究材料，發(fā)現(xiàn)ORF2基因編碼一個(gè)毒性蛋白，對(duì)全部花粉的發(fā)育有毒害作用，而ORF3基因則編碼一個(gè)解毒蛋白，“選擇性（配子體效應(yīng)）”地保護(hù)攜帶它的花粉，確保其可育，非常“自私”。研究發(fā)現(xiàn)，普通野生稻中，約50%的材料含有ORF3，在經(jīng)過長(zhǎng)期的演化之后，90%以上都含有ORF3。
水稻自私基因
有意思的是，萬院士科研團(tuán)隊(duì)還探尋出了水稻自私基因演化的“古戰(zhàn)場(chǎng)”。 “大反派”毒蛋白ORF2原本只是個(gè)“跑龍?zhí)?rdquo;的，而能夠?qū)⑵?ldquo;繩之以法”的解毒蛋白ORF3其實(shí)是由一個(gè)看似微不足道的ORF1基因進(jìn)化而來的。在漫長(zhǎng)的“祖先野生稻-普通野生稻-亞洲栽培稻”的演化過程中， ORF1沒有功能，但一直被保留，ORF2是從沒有毒性功能的單倍型逐步演變成有毒性功能的單倍型，而ORF3則是在普通野生稻中由ORF1基因的復(fù)制而產(chǎn)生，并在隨后的稻種馴化過程中傳遞到亞洲栽培稻中。
值得一提的是，20多年來，萬建民院士團(tuán)隊(duì)一直致力于破解“秈粳交”雜種優(yōu)勢(shì)有效利用難題，2015年，團(tuán)隊(duì)發(fā)掘出水稻廣親和、早熟和顯性矮稈基因，開發(fā)相應(yīng)分子標(biāo)記和育種技術(shù)，成功培育秈粳交高產(chǎn)水稻新品種，榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
團(tuán)隊(duì)這次在《科學(xué)》期刊發(fā)表的突破性成果，延續(xù)了雜種優(yōu)勢(shì)利用的科學(xué)命題，首次用自私基因模型揭示了水稻的雜種不育現(xiàn)象，闡明了自私基因在維持植物基因組的穩(wěn)定性、促進(jìn)新物種的形成中的分子機(jī)制，探討了毒性-解毒分子機(jī)制在水稻雜種不育上的普遍性，為揭示水稻秈粳亞種間雜種雌配子選擇性致死的本質(zhì)提供了理論借鑒。在實(shí)踐意義上，可以創(chuàng)制“廣親和”材料，克服雜種不育障礙，充分利用雜種優(yōu)勢(shì)和野生種質(zhì)資源，提高水稻單產(chǎn)。
實(shí)習(xí)編輯：于婷婷
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