我國科學家揭開水稻雜種優勢的遺傳之謎

雜交水稻成熟的大穗(龔俊義提供)

雜交稻開花期性狀的遺傳分析

雜交子一代在生長勢、適應性、產量、抗性、品質等方面優於雙親的現象在生物學中被稱為雜種優勢。根據雜種優勢的原理，育種學家通過有效的雜交配組可以實現農產品產量的顯著提高。上個世紀70年代開始，我國育種學家率先開展了水稻雜種優勢利用研究，陸續通過三系法、兩系法等途徑培育出大量雜交水稻組合, 包括「汕優63」、「兩優培九」在內的一系列高產雜交組合得到大面積推廣，大幅度提高了稻穀產量，為我國的糧食安全做出了巨大貢獻。雜交稻的高產來自對水稻雜種優勢現象的有效利用，在一些優異的雜交配對組合中，雜交稻的產量表現可以大大超越它們的純合親本。雜種優勢的產生是由雙親基因組互作的結果，是一種複雜的生物學現象，然而這一現象背後的遺傳機理一直以來不完全清楚。長期以來，植物雜種優勢遺傳機制的研究又被稱為是植物遺傳學研究的「聖杯」（Holy grail）。只有深入了解雜種優勢的遺傳基礎，才能實現雜種優勢的高效利用，推動育種技術的變革。

9月8日，《自然》雜誌以長文形式（Article）在線刊發了中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所國家基因研究中心韓斌研究組、黃學輝研究組聯合中國水稻研究所楊仕華研究組取得的一項成果，題為《水稻產量性狀雜種優勢的全基因組解析》(Genomic architecture of heterosis for yield traits in rice)。

這項研究通過對1495份雜交稻品種材料的收集幾乎包括了絕大部分中國雜交稻優良品種以及對17套代表性遺傳群體進行基因組分析和田間產量性狀考察，綜合利用基因組學、數量遺傳學及計算生物學領域的最新技術手段，全面、系統地鑒定出了控制水稻雜種優勢的主要基因位點，分析了純合基因型（父本或母本基因型）和雜合基因型（父/母本性）的遺傳效應，詳細剖析了三系法、兩系法雜交稻和亞種間雜交稻雜種優勢的遺傳基礎，最終解析了水稻雜種優勢的分子遺傳機制。進一步研究表明，水稻雜種優勢的表現正是由這些鑒定的基因位點所決定的。而且，控制水稻雜種優勢的遺傳位點在雜合狀態時大多表現出不完全顯性，通過雜交育種產生了全新的基因型組合，從而在雜交一代高效地實現了對水稻花期、株型、產量各要素的理想搭配，形成雜種優勢。如傳統三系雜交稻組合中，父本（恢復系）聚集了較多的優良等位基因，綜合性狀配置優良；在此基礎上，來自母本（不育系/保持系）的少數等位基因則進一步改善了水稻植株的結實率、穗粒數（如hd3a基因）及株型（如tac1基因），實現了雜交組合子一代的優勢表現。這些發現對推動雜交稻和常規稻的精準分子設計育種實踐有重大意義。利用這項研究成果，科研人員有望進一步優化水稻品種的雜交改良，實現對親本材料的高效選育和配組，服務於具有高配合力特性的親本材料和聚合雙親優點的常規稻材料的創製和改良，選育出更加高產、優質和多抗的水稻種質資源，對實現高效的分子設計雜交育種有重要的指導意義。該成果既是一項「用得上、有影響」的重大應用基礎性成果，也是植物基礎前沿科學研究的重大理論突破。

該項研究得到了中科院先導專項(「分子模塊設計育種創新體系」) 和國家自然科學基金委等項目資助以及中科院分子植物科學卓越創新中心的支持。該項研究是中科院先導專項「分子模塊設計育種」的重大研究任務，也是中科院分子植物卓越創新中心「作物複雜性狀和雜種優勢分子機制」研究方向的重大研究目標。

文章來源：中科院重大科技任務局 上海生命科學研究院

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