南农科研团队找到水稻杂交不育“密码”

2018年06月09日07:13  来源:现代快报
 
原标题:南农“爸爸”找到水稻杂交不育“密码”

赵志刚(左)和余晓文在实验室研究水稻 现代快报/ZAKER南京记者 赵杰 摄

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美国当地时间6月8日,国际顶级学术杂志《Science》(《科学》)发表了杂交水稻家族的遗传故事。杂交水稻家族中,“父”“母”的优秀DNA并不会平均地遗传给每一个“孩子”,于是,在下一代生长中,出现了不孕不育。发现杂交水稻不孕不育基因秘密的,是南京农业大学万建民院士团队。“杂交水稻中有两个紧挨的基因,它们俩是好邻居,也容易出问题;这两个基因如果解决了,未来,杂交水稻的产量将大幅度增加。”论文第一作者、南京农业大学农学院博士后余晓文告诉现代快报记者。

啥?水稻也会不孕不育

6月6日是芒种,也是插秧季。“后天,我们就到试验田去插秧了。”南京农业大学理科楼负一楼的实验室内,杂交水稻秧苗像宝宝一样被精心呵护着,再过一两天,这些秧苗,将被插进水田。然后,南农的“爸爸”们密切关注它们的每一个生长小细节,什么时候长个子、开花、结果……

“从上世纪80年代开始,水稻家族中一直有3个难题困扰着农学家们。”论文第一作者、南京农业大学农学院教授赵志刚介绍说,3个难题关乎人们的口粮问题,分别是:晚熟、倒伏、不孕不育。所谓晚熟,就是水稻的生长周期超长。本来江苏一带的水稻9月灌浆,10月底收割,但晚熟的水稻却一直不见动静,错过了最佳时期,造成产量不高。而倒伏则是水稻个头太高,风一大,雨一大,就趴在田里,很多果实掉在田间,也造成收割不易。不孕不育,则是水稻开花结空果。饱满的果实沉甸甸的,整个秆子都弯弯的;而空果则很轻,水稻秆子都直的。

“在水稻家族中,有两次革命,一次是水稻矮化,矮化后的水稻,抗倒伏能力变强;另一次是杂交,提高产量,让口感变得更好。”赵志刚说。

在农学界,水稻的杂交有多种方式:籼稻与籼稻、粳稻与粳稻、籼稻与粳稻。但同时,籼稻和粳稻杂交最大的问题便是不孕不育:花粉不育、小穗结实率低、子粒不饱满……

9年,把花粉叶子在显微镜下细细观察

籼稻和粳稻杂交为何会不孕不育?这是万建民院士团队的研究课题之一。

“9年前,我入学的第一件事就是插秧,到收割的时候,原本以为会是大丰收,但到田间一看发现,很多稻穗是空的。当时心里说不出的难过。”余晓文是85后,出生在农村,第一次看到那么多的空壳,难过之余,激发了做杂交不育研究的决心。

从2009年开始,余晓文跟着导师一起泡在田间地头和实验室里。江宁土桥的试验田里,余晓文把杂交稻视作宝宝,观察它们的每一个生长小细节。“每年8月,天最热,也是水稻开花的季节。我们会把试验田里含苞待放的花骨朵全部采集回实验室,同时,每株水稻采集一片叶子。”水稻的花是白色的,比芝麻还小,采集的时候要固定一下才行,而且水稻花期一般只有一周左右,时间很紧。

采集到实验室后,花粉被放在试管中,放在显微镜下观察。“别小看了花和叶,它们都有DNA密码。”余晓文说,他每天都要观察两三百个样本。天天看下来,有时候眼睛都是花的。

9年的时间,也让余晓文从博士变成了博士后。“博士读了8年,都是为了研究这个课题。”可能在别人眼里,不是下田,就是在实验室,枯燥又无聊,但余晓文告诉现代快报记者,很值得。

破解,不育原因是水稻的“自私基因”

“杂交稻不孕不育,是‘自私基因’在作祟。”余晓文说。

“我们研究发现,水稻DNA中有两个‘邻居’毒蛋白ORF2和解毒蛋白ORF3。杂交水稻在发育过程中,毒蛋白会产生毒害,让花粉死掉;而解毒蛋白,则会把毒害分解,让花粉正常发育。如果一株花粉中,同时具有毒蛋白和解毒蛋白,那么,就不会出现不孕不育的现象。可惜的是,杂交水稻中,一半花粉正常,一半花粉死亡。”余晓文告诉现代快报记者。

杂交水稻的这种遗传方式,也挑战了孟德尔遗传定律。孟德尔遗传定律认为,遗传是1.2:1,而杂交水稻则是1:1的概率。在毒蛋白和解毒蛋白两个基因中,解毒蛋白无疑是“自私”的一方,并不是每一个花粉中都有,而选择性地出现在某些花粉中,确保它可育,非常“自私”。

对于余晓文他们的这一研究发现,《Science》资深编辑劳拉·赞恩评价,“自私遗传”系统构成了进化策略的基础,促进了生殖隔离的形成。

余晓文说,发现了不育症结,找到了导致不育的毒蛋白和解毒蛋白后,就可以通过基因编码,优先培养优质杂交稻。一种方法是把毒蛋白敲掉,让花粉正常发育;另外一种是,在不含解毒蛋白的花粉中导入解毒蛋白,让花粉正常发育。(仲茜 胡玉梅 许天颖)

(责编:唐璐璐、张鑫)

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