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    水稻“自私基因”挑戰經典定律

    時間:2018-06-14 10:21:16 點擊:

    北京時間6月8日,國際頂級學術期刊《科學》在線發布了“水稻自私基因導致非孟德爾遺傳”研究成果。該成果由中國農業科學院與南京農業大學共同合作完成,研究受到中國農業科學院科技創新工程的大力支持。

    據悉,自私基因系統控制水稻雜種不育,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,進而有效提高水稻產量提供有力的理論和技術支撐。

    對此,《經濟日報》記者采訪了研究團隊負責人,中國工程院院士、中國農業科學院副院長萬建民。

    增產的秘密

    我國是水稻的發源地,在長達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,秈稻比較適宜生長在高溫、強光和多濕的熱帶及亞熱帶地區,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。

    近幾十年來,雜交水稻技術的推廣為我國糧食增產作出了巨大貢獻。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、綠色超級稻等,都是在秈稻亞種之間進行的雜交。

    科學界普遍認為,水稻秈粳雜交可比其他雜交稻進一步提高單產15%至30%。“這對于提高水稻產量,保障國家糧食安全有著至關重要的作用。”萬建民說。

    然而,秈稻和粳稻在雜交中最大的問題是會出現花粉不育、小穗結實率低、子粒不飽滿等雜種不育現象,通常有50%左右不能結實。

    “常規水稻品種結實率要在80%以上,但是粳秈雜交只有不高于50%的結實率。”萬建民坦言,結實率80%以上是一個前提,如果達不到這個標準,那么就沒法實現增產。

    在此次發布的研究成果中,萬建民團隊采用栽培稻粳稻品種和南方野生稻品種為研究材料,之所以選這兩個品種,是因為南方野生稻是現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。

    在試驗中,研究人員發現栽培稻與南方野生稻雜交后雜種雖然能長出更多的穗粒,但是絕大部分都是空稻殼,最終的結實率僅有1%至2%,基本可以忽略不計,由此,科學家們提出了假設,一定是有哪些基因控制了雜交稻不結實。

    “所以我們要找出其不結實的原因,同時找到如何讓其結實的辦法。”萬建民告訴記者。

    “自私”的基因

    那么,為什么不結實呢?

    隨著研究的深入,萬建民及團隊發現了其中的奧秘,因為粳稻具有一項神秘“武器” ——自私基因。

    什么是自私基因,它是干什么用的?

    英國演化理論學者理查德·道金斯在其經典著作《自私的基因》中給出了詳細闡述,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、更快地復制,并能更多地傳遞給子代,從而維持物種自身的穩定性。

    “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。”萬建民對記者說,但是值得注意的是,這一現象卻不符合孟德爾遺傳定律。經典定律認為,基因是有均等機會分配給后代的,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,也出現了大量的“自私現象”。

    這種現象是上世紀90年代就有研究文章報道的。2017年,《科學》雜志報道了小鼠和線蟲自私基因的非孟德爾遺傳現象。這些研究表明在動物中自私基因驅動了基因組的進化,并影響了物種自身的穩定性。此次水稻自私基因的發現,在植物界尚屬首例。

    萬建民及團隊在研究中發現,粳稻擁有的自私基因位點包含三個相鄰的基因ORF1、ORF2和ORF3,第一個基因沒有什么作用,第二個基因是毒蛋白,起到殺死配子的作用,第三個基因是解毒蛋白,起到保護配子的作用。而南方野生稻只含有ORF1、ORF2兩個基因,并不具有保護配子的基因。

    因此在雜交后,粳稻中的毒基因產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揮了作用,同時用ORF3基因保護了自己的配子,這就是自私現象。

    論文第一作者余曉文博士打了個比方,解毒蛋白類似花粉發育過程中的“護花使者”,若早期的花粉細胞中不含有解毒蛋白,其發育過程中會因為沒有收到保護,不可避免地受到毒蛋白的“毒害”,最終導致死亡;而含有解毒蛋白的花粉細胞,其發育過程猶如多了一層保護,會自動消除毒蛋白的毒害作用,順利完成發育,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定性。

    “此次研究成果對我們解決秈粳雜交不育將起到重大作用,我們可以對自私基因進行基因編輯,刪除毒蛋白基因,同時選擇保留解毒基因,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、南京農業大學農學院趙志剛教授介紹說,這種類似于“矛”與“盾”關系的毒蛋白和解毒蛋白,其實就是水稻中緊密連鎖的基因ORF2和ORF3的產物,團隊以亞洲栽培稻品種滇粳優1號和南方野生稻為研究材料,發現ORF2基因編碼一個毒性蛋白,對全部花粉的發育有毒害作用,而ORF3基因則編碼一個解毒蛋白,“選擇性(配子體效應)”地保護攜帶它的花粉,確保其可育,非常“自私”。研究發現,普通野生稻中,約50%的材料含有ORF3,在經過長期的演化之后,90%以上都含有ORF3。

    水稻自私基因

    有意思的是,萬院士科研團隊還探尋出了水稻自私基因演化的“古戰場”。 “大反派”毒蛋白ORF2原本只是個“跑龍套”的,而能夠將其“繩之以法”的解毒蛋白ORF3其實是由一個看似微不足道的ORF1基因進化而來的。在漫長的“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基因的復制而產生,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,萬建民院士團隊一直致力于破解“秈粳交”雜種優勢有效利用難題,2015年,團隊發掘出水稻廣親和、早熟和顯性矮稈基因,開發相應分子標記和育種技術,成功培育秈粳交高產水稻新品種,榮獲國家技術發明獎二等獎。

    團隊這次在《科學》期刊發表的突破性成果,延續了雜種優勢利用的科學命題,首次用自私基因模型揭示了水稻的雜種不育現象,闡明了自私基因在維持植物基因組的穩定性、促進新物種的形成中的分子機制,探討了毒性-解毒分子機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提供了理論借鑒。在實踐意義上,可以創制“廣親和”材料,克服雜種不育障礙,充分利用雜種優勢和野生種質資源,提高水稻單產。


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