万建民院士科研团队用自私基因模型揭示水稻杂种不育现象

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人民网北京6月9日电中国农业科学院和南京农业大学的万建民院士创造性地利用自私基因模型揭示水稻杂种不育性。6月8日，国际顶级学术期刊《科学》在网上发布了这一突破。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一。提高水稻产量对国家粮食安全具有重要意义。科学界普遍认为，利用籼粳交的杂种优势可使单位面积产量提高15%至30%，但同时也会出现花粉不育、小穗结实率低、籽粒不完整等杂种不育性现象。该论文的第一作者、南京农业大学农业学院博士后于晓文告诉记者，“自私基因”在起作用。

《自私的基因》是理查德写的一部小说？道金斯的经典著作中，这一概念指的是基因可以控制自己的dna片段在父母杂交后优先传递给后代，这样父母的遗传信息可以被复制得越来越快，并且可以更多地传递给后代，从而保持物种本身的稳定性。

为什么水稻基因也是“自私的”？于小文做了一个比喻。在将在水稻中形成花粉的细胞(花粉母细胞)中，自私的基因系统中有毒性蛋白质和解毒蛋白质。解毒蛋白类似于花粉发育过程中的“护身符”。如果花粉细胞不含解毒蛋白质，它们的发育将不可避免地被有毒蛋白质“毒害”，因为它们没有受到保护，最终导致死亡；含有解毒蛋白的花粉细胞在其发育过程中有一层额外的保护，这将自动消除有毒蛋白的毒性作用，成功地完成其发育，使其父母的遗传信息更多地传递给其后代，并自私地维持物种本身的稳定性。

这篇论文的第一作者、南京农业大学农业学院的赵志刚教授告诉记者，这种有毒蛋白和解毒蛋白类似于矛和盾的关系，实际上是水稻中紧密相连的orf2和orf3基因的产物。该团队以亚洲栽培稻品种滇粳优1号和南方野生稻为研究材料，系统分析了水稻自私基因位点qhms7的遗传组成，发现orf2基因编码一种有毒蛋白。它对所有花粉的发育都是有毒的，而orf3基因编码一种解毒蛋白，这种蛋白“选择性地”(配子体效应)保护携带它的花粉，并确保它的繁殖力，这是非常自私的。经过长期进化，发现约50%的野生稻材料含有orf3，超过90%的栽培稻材料含有orf3。

有趣的是，南方农业大学的研究小组也探索了水稻自私基因进化的“古战场”。“大坏蛋”毒蛋白orf2最初是一个“跑龙套的”，而解毒蛋白orf3可以将它绳之以法，它是从一个看似无关紧要的orf1基因进化而来的。在“祖传野生稻-普通野生稻-亚洲栽培稻”的漫长进化过程中，orf1没有功能，但一直保留着。orf2是一种没有毒性功能的单倍型，而orf3是由普通野生稻中的orf1基因复制产生的，并在随后的驯化过程中传递给亚洲栽培稻。

值得一提的是，20多年来，万建民院士的团队一直在努力解决籼粳交杂种优势的有效利用问题。2015年，该团队发现了水稻广亲和、早熟和显性矮秆基因，开发了相应的分子标记和育种技术，成功培育出高产籼粳交新品种，获国家技术发明奖二等奖。

该团队在《科学》杂志上发表的突破性成果延续了杂种优势利用的科学命题，首次用自私基因模型揭示了水稻杂种不育性现象，阐明了自私基因在维持植物基因组稳定和促进新种形成中的分子机制，并探讨了水稻杂种不育性“解毒”分子机制的普遍性，为揭示水稻籼粳亚种间杂种雌配子选择性死亡的本质提供了理论参考。从实际意义上讲，可以创造“广亲和”材料，克服杂种不育性障碍，充分利用杂种优势和野生种质资源，提高水稻单位面积产量。

据了解，本文的第一作者是博士后于晓文和南京农业大学农学院赵志刚教授，作者是中国农业科学院副院长万建民院士。中国农业科学院作物科学研究所研究员、吴传印和云南农业科学院粮食作物研究所研究员陶是本文的合著者。本研究由南京农业大学和中国农业科学院作物科学研究所全面合作完成。前期和后期工作是与云南省农业科学院粮食作物研究所、中国科学院植物研究所等合作完成的。该研究得到了国家R&D重点项目、国家自然科学基金云南联合基金等项目的支持。

来源：搜狐微门户