作者:李思辉 蒋朝常 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/24 17:53:35
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巧!两个院士团队同时关注到同一个水稻基因

 

在水稻杂交育种的过程中,人工去雄是一项至关重要且耗时耗力的工作,而雄性不育材料则是解决这一问题的关键。从上个世纪中叶至今,水稻细胞质雄性不育和光温敏雄性不育的发现与广泛应用,极大地促进了我国杂交水稻的育种和生产应用。未来,水稻育种科研人员在人工去雄上的工作量有望进一步减轻。

8月7日,华中农业大学(以下简称华中农大)水稻团队张启发院士课题组与福建省三明市农科院合作发表了他们首次克隆水稻显性雄性核不育基因的研究成果。这意味着,中国科学家首次克隆出了一种可以让花粉完全不育的显性水稻基因。

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 张启发院士(中)与欧阳亦聃教授(右)、蒋海潮副研究员(左)在田间观察水稻材料。受访者供图

 

一个基因

华中农大水稻育种团队李旭副研究员长期从事水稻育种工作,他给《中国科学报》算了一笔账:他一个人在上午授粉前大概能处理40个穗子,每个穗子100朵小花计算,水稻杂交季节的一个月(一般是最热的三伏天)约要对10万朵小花进行人工去雄,耗费的时间成本巨大。

他介绍,水稻是自花授粉作物,在杂交过程中需要耗费大量时间和人力进行人工去雄。借助不能形成正常花粉的雄性不育材料,就能够省去人工去雄过程,节省劳动成本的同时,大大加速育种和制种进程。因此“找到不育系”成为科学家的一个梦想。

华中农大水稻团队欧阳亦聃教授介绍,袁隆平院士正是在海南野生稻中发现了不育系,通过连续回交选育而形成了著名的“野败型”杂交稻;朱英国院士也是利用海南红芒野生稻与常规稻杂交选育的籼稻配子体雄性不育系而培育出来“红莲型”杂交稻。

她进一步解释说,红莲型不育与野败型不育都属于细胞质雄性不育。雄性不育是植物界广泛存在的现象,根据导致不育的基因所处位置可以分为细胞质雄性不育与细胞核雄性不育。目前,细胞质雄性不育已被广泛应用于自花授粉作物的杂交育种,极大地推动了作物杂种优势利用和全球作物产量的提升。自然突变导致的细胞核显性雄性不育材料非常少见,被克隆的调控基因更是屈指可数,迄今只在玉米、油菜、小麦等主要作物中各克隆一例。

2001年,福建省三明市农科院研究人员在下田科研时,偶然间发现了一个显性核不育自然突变株,他们眼前一亮,顿时如获至宝,把它命名为“三明显性核不育”。

欧阳亦聃介绍:“显性核不育突变对于作物本身来说无异于自杀,由于不能产生自交后代,基因会很快被淘汰掉,因此显性核不育自然突变株出现的概率极低,能够将突变材料及时发现并保存下来更如同大海捞针”。

然而,大海捞到针只是第一步,实现不育基因克隆并广泛地应用于研究和生产中,才能使其成为水稻育种的“定海神针”。

雄性不育不仅可以免去杂交工作中人工去雄的时间人力成本,而且由于显性基因在杂合状态下即可表现出稳定的不育性,杂交后代可以直接出现育性分离,因此能够实现快速、大量、连续的杂交工作。也正因为如此,尽快克隆出“水稻显性雄性核不育基因”成为很多研究人员的梦想。

一份执着

三明显性核不育水稻已经发现了20多年。华中农大水稻团队2011年前后拿到这个材料,并开始了基因寻找、克隆工作。由于基因所在区段变异复杂,如同另一场大海捞针。

欧阳亦聃对此有个形象地类比——“图位克隆法”寻找这个基因的过程,就是将水稻基因组的不同片段加上标记,一步一步地测试基因组片段和功能的联系,就像从中国找到湖北省,继而从湖北省找到武汉市某街道某门牌号,直至定位到某一间具体的房间。

“这是一个相当复杂的研究过程。”华中农大水稻团队博士生、论文第一作者徐聪昊表示,三明显性核不育材料来源于一次偶然的自然突变,我们工作的目的之一就是通过基因定位和序列比较,确定发生突变的基因。但是由于发生突变的基因组区段在籼稻和粳稻之间存在着许多的结构变异,这些变异大大增加了基因定位和序列比对的难度。

回顾十多年艰辛研究,徐聪昊坦言:“我们在研究初始选择的水稻材料,恰恰是与不育单株背景差异最大的亚群,这让我们的基因定位工作多走了不少弯路。但是非常幸运的是,在研究进行过程中,华中农大水稻团队技术的创新和新的成果给工作带来了许多助力,李旭老师建立起来的高通量水稻DNA抽提和基因型检测系统,极大地减少了工作量、增加了检测效率,使我们快速缩小定位区间。而水稻团队构建的两个Gap-Free参考基因组则在序列比对和候选基因确定过程中发挥了至关重要的作用,是水稻团队多年的技术与成果积累帮助我们更好的完成了工作。”

直到四年前的2019年,华中农大水稻团队终于成功克隆出了这个基因。“为了让整个故事更完整”,他们又进一步研究并阐述了基因的起源与调控显性核不育的机制,直到不久前在国际期刊正式发表他们的研究成果。

“基因克隆成果后,再去复盘,每一步应该怎么做都是非常清晰的。但在艰难地探索和研究实践中,你会发现你根本不可能把每一步都走对,只有不断试错,才能找到对的路。”欧阳亦聃说。

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张启发院士(左)与论文一作、博士研究生徐聪昊在下田看材料。受访者供图

 一段佳话

令华中农大水稻团队意想不到的是,就在他们与三明市农科院合作开展水稻显性雄性核不育基因克隆研究的同时,另一个院士团队也在开展类似的研究。张启发院士团队在论文投稿过程中得知,南京农大万建民院士团队也在做相同的研究,两个团队进行了积极的交流,并于相近时间分别在《国家科学评论》和《植物技术》上,发表了“显性雄性核不育基因”研究成果,引起学术同行的广泛关注。

欧阳亦聃告诉《中国科学报》:“同时做相同的工作并发表,在科研上叫背靠背,不谋而合的‘背靠背’,不但凸显了工作的重要性和结论的可靠性,也是水稻研究中的一段佳话。希望研究成果能够推动更多科研与育种工作者关注并使用三明显性核不育材料,加快水稻育种进程。”

“三明显性核不育基因的克隆使得我们对显性核不育基因的精准操作成为可能,增加了育种及研究过程的效率和准确性。基于三明显性核不育材料,华中农大水稻团队在几年前就开展了杂交水稻新路径的育种工作,相信,未来一批新的高产优质杂交稻品种会被陆续培育出来。”欧阳亦聃说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwad210

 
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