中國科學家克隆首個水稻顯性雄性核不育基因

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長江日報訊(記者周劼 通訊員蔣朝常)首個水稻顯性雄性核不育基因被我國兩個院士團隊同時成功克隆，這一基因有望使水稻雜交育種步入快速、簡易的新路徑。2023年8月7日，華中農業大學水稻團隊張啟發院士課題組與福建省三明市農業科學院合作發表了他們首次克隆水稻顯性雄性核不育基因SDGMS的研究成果；8月8日，南京農大萬建民院士團隊也發表對顯性雄性核不育基因OsRIP1的研究。巧合的是，該基因與張啟發院士團隊報道的SDGMS實為同一基因。同一基因引來兩個院士團隊不約而同的關注，也說明該基因的特殊性和重要性。

水稻雜交育種的關鍵之一在于發掘與應用雄性不育材料。據該成果通訊作者之一、華中農業大學水稻團隊歐陽亦聃教授介紹，水稻是自花授粉作物，在雜交過程中需要耗費大量時間和人力進行人工去雄。借助不能形成正常花粉的雄性不育材料，就能夠省去人工去雄過程，節省勞動成本的同時大大加速育種和制種進程。袁隆平院士正是在海南野生稻中發現了不育系，通過連續回交選育而形成了著名的“野敗型”雜交稻；朱英國院士也是利用海南紅芒野生稻與常規稻雜交選育的秈稻配子體雄性不育系而培育出來“紅蓮型”雜交稻。

紅蓮型不育與野敗型不育都屬于細胞質雄性不育。雄性不育是植物界廣泛存在的現象，根據導致不育的基因所處位置可以分為細胞質雄性不育與細胞核雄性不育。目前，細胞質雄性不育已被廣泛應用于自花授粉作物的雜交育種，極大地推動了作物雜種優勢利用和全球作物產量的提升。但自然突變導致的細胞核顯性雄性不育材料非常少見，被克隆的調控基因更是屈指可數，迄今只在玉米、油菜、小麥等主要作物中各克隆一例。2001年，福建省三明市農科院發現了三明顯性核不育自然突變株，“顯性核不育突變對于作物本身來說無異于自殺，由于不能產生后代，基因會很快被淘汰掉，因此顯性核不育自然突變株出現的概率極低，能夠將突變材料及時發現并保存下來更如同大海撈針”。

三明顯性核不育自然突變株的發現對水稻雜交育種來說卻如同找到了一條捷徑，該突變株不育性穩定徹底，柱頭外露好，雌性育性不受影響，任何可育品種與其雜交的后代都可以分離出等比例的不育單株和可育單株，其中不育株可以繼續作為不育系用于雜交，而可育株可以正常結實用于下一步研究或育種。“隱性不育系的雜交后代通常可育株和不育株的比例是3:1，并且雜交后還要自交一代才能最終出現育性分離。因此借助顯性核不育材料雜交，不但后代不育株數目更多，并且每次雜交都可以減少一個世代，真正實現雜交水稻的快速、簡易育種。”

雖然三明顯性核不育水稻已經發現了20多年，但是調控三明顯性核不育的基因一直未被克隆。華中農大水稻團隊早在2011年前后就拿到這個材料，并開始了基因尋找、克隆工作，由于基因所在區段變異復雜，這是另一場大海撈針。“將基因組區段分成不同的片段，一段一段測試其功能，找這個基因就像從中國找到湖北省，再找到武漢市某街道某門牌號。”4年前，他們成功克隆了這個基因，但為了讓整個故事更完整，他們又進一步研究并闡述了基因的起源與調控顯性核不育的機制。“第一作者是博士生徐聰昊，為了這項研究，與團隊成員一同努力了十多年時間，終于取得了階段性的成果，他也將邁向人生新的階段。”

華中農大團隊在論文的投稿過程中得知，南京農大萬建民院士團隊也在做相同的研究，兩個團隊進行了積極的交流。“同時做相同的工作并發表，在科學界叫背靠背，不謀而合的‘背靠背’，不但凸顯了工作的重要性和結論的可靠性，也將是水稻研究中的一段佳話。”

據悉，華中農大水稻團隊的研究克隆了水稻第一例顯性雄性核不育基因，也首次發現核糖體失活蛋白參與調控水稻發育和抗性的平衡機制。利用這個基因，他們已經于幾年前就開展了雜交水稻新路徑的育種工作，“一批新的雜交稻品種會陸續出來”。

該校博士研究生徐聰昊為成果論文第一作者，福建省三明市農業科學研究院黃顯波研究員、華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北洪山實驗室歐陽亦聃教授和張啟發院士為論文共同通訊作者。

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