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来源：中国科学报收集编辑：中国科学报
利用籼粳亚种间杂种优势提高水稻产量一直是水稻育种专家的“梦想”。然而，一个多世纪来，籼粳杂种优势的遗传基础和应用一直是世界性难题。近日，华中农业大学教授欧阳亦聃、副教授米甲明联手搭建克服籼粳亚种间杂种不育的“桥梁”，可保障亚种间杂交稻的大田生产，实现“一桥飞架籼粳，天堑变通途”的设想，对未来培育高产籼粳杂交稻具有重要的理论和实践意义。相关研究在线发表于《分子植物》。这是一场跨越30余年的“接力”，几代人用孜孜不倦的探索，为籼粳杂种不育基础和应用研究铺路架桥。
籼粳杂交具有半不育特性，其结实率很低，繁衍后代能力不足。1984年，水稻科研工作者发现，在籼稻与粳稻两大亚种之外，存在一类特殊水稻种质资源，它既能与籼稻“婚配”，又能与粳稻“婚配”，且杂交的后代结实率高，被称为广亲和品种。找到并分离调控广亲和的基因，便可找到解决籼稻和粳稻杂交后代育性下降、结穗后空壳问题的“金钥匙”。早在我国启动“863”计划时，国家有关部门就将广亲和基因分离克隆的研究内容列入其中。为了阐明杂种优势的遗传基础，进而培育出高产优质的籼粳杂交品种，1990年，中国科学院院士张启发领衔的水稻团队便开启了这场“秘境追踪”。在一届届师生前赴后继的接力下，团队在籼粳杂种不育遗传机理及广亲和性研究领域取得了一个又一个成果。继2008年实现对调控籼粳亚种间杂种雌配子不育的主效位点S5的克隆后，2012年，团队又从遗传上完全解析了S5位点造成杂种不育的机制，揭示了水稻籼粳杂种育性调控的分子机制，为有关籼粳杂种不育、物种生殖隔离分子机理、生物演化的研究提供了借鉴和参考。相关研究成果发表在《科学》杂志上，不仅是籼粳杂种不育研究的一次重大突破，也是水稻功能基因组发展中一个里程碑事件。这一发现，让培育高产优质籼粳杂交稻的应用研究驶入了快车道。也是在那一年，常年驻扎在育种生产一线的华中农业大学教授牟同敏向张启发推荐了米甲明进入水稻团队开展博士课题研究。作为水稻育种“出口端”的关键研究者，米甲明一进入团队就被寄予了厚望——将发现的基因在育种实践中用起来。2013年，已在籼粳杂种不育研究领域探索了10年的欧阳亦聃愈发意识到：“要取得籼粳杂交育种研究的成功，必须与生产实践相结合。只有这样，籼粳杂交育种的‘链条’才能飞快转动起来。”在与米甲明多次深入交流后，欧阳亦聃欣喜地发现，俩人的科研正好可以“无缝对接”。他们一拍即合，由此开启了长达10年的合作。
起初，不少人并不认为米甲明能搞出名堂来，但米甲明不信邪。扎根田间的日子里，成百上千次的试验见证了他辛勤的汗水，也记录了他从“无从下手”到“渐有眉目”的成长历程。支撑米甲明的，是导师牟同敏和张启发潜移默化的影响，也有欧阳亦聃这位合作伙伴的鼎力支持。“平日里，只要有新的想法，我们都会第一时间讨论交流。一些自己苦思冥想都想不通的难题，常常会在交流中迎刃而解。”米甲明说。2016年和2020年，欧阳亦聃、米甲明合作研究分析了S5系统的产生机制和起源演化过程，还创建了S5+f5两个位点的广亲和株系，为后续研究奠定了良好基础。作为这场接力赛中的重要人物，博士研究生周鹏辉与王正基同样经历过早期探索的煎熬。2016年，周鹏辉的课题陷入停滞，这一停就是一整年。他想尽了所有能想到的办法，就是无法找到原因所在。“那阵子我的压力极大，一方面，是曾经定了很高的目标；另一方面，是不想辜负张老师的期望。”周鹏辉回忆说。转机发生在2017年。得益于基因组测序技术的发展，水稻团队对ZS97和MH63两个籼稻品种进行了基因组测序，通过比对籼稻和粳稻的基因组序列，周鹏辉初步发现了端倪——籼稻比粳稻在pf12位点上多了27.3kb的大片段插入。通过后续研究，他进一步验证了这个大片段插入上的pf12A基因是造成杂种不育的效应基因，成功克隆了籼粳亚种间杂种雄配子不育的主效位点pf12。2018年，就在周鹏辉的研究逐渐步入正轨时，王正基的挑战才刚刚开始。他的研究需要先进行田间试验收集“籼粳交”的群体表型数据，再通过遗传分析鉴定效应最大的杂种不育位点。可是，王正基刚迈出第一步便被“卡住”了。经历了漫长的田间试验后，他采集到的数据却显示异常，一年的工作打了水漂儿，王正基难免有些受挫。经过分析，他发现问题可能源于“籼粳交”的结实率太低，很容易被周围其他水稻材料飘过来的花粉污染而得到异常基因型。再次试验，他更加严谨地设置种植条件，从播种、插秧，到建立隔离带，搜集群体表型和基因型……每一步都小心翼翼。这一次，他的辛苦付出没有白费，当遗传分析结果出炉，王正基倍感振奋。这一步的成功，意味着这场“接力赛”可以继续向前奔跑了。
他们提出了一种“最简”基因组设计育种策略，让育种过程尽可能简洁、精准。这一策略只需三步即可完成，首先是通过遗传分析确定建这座“桥”需要的主要“零件”，然后在此基础上画出“施工图”，最后一步是进行组装。经过验证，这套策略可以极大提高育种效率。2016年，在创建了S5+f5广亲和株系后，团队已经将籼粳杂种的结实率提升到了50%。但对于生产实践而言，这还远远不够。2019年，团队进一步使用S5+f 5+pf12作为“零件”进行了尝试，将“籼粳交”的结实率提升到了70%，这一发现让欧阳亦聃和米甲明喜出望外。两人进一步设想：“如果将‘零件’数量进一步增加，能否让正常的结实率达到85%以上？还需要哪些‘零件’才能实现这一设想？”彼时，王正基的遗传分析刚好给出了答案。经过数据分析，他们将目标锁定在了S5、f5、pf12、Sc四个位点上，并寻找到这四个位点上可以用来搭建桥梁的“天然材料”，即对应的广亲和等位基因。根据“施工图”安排，2021年，田间验证的接力棒交到了硕士研究生朱兴臣手中。他需要对四个“零件”在恢复系中进行组装，创制强广亲和品种，进而培育出籼粳亚种间杂交稻。实验完成后，经过检测，团队创制的广亲和品种可培育花粉和胚囊育性超过90%，是能正常结实的籼粳亚种间杂交稻。欧阳亦聃感慨良多：“沿着一个研究方向，咬定青山不放松，是水稻团队一直以来的传统。”相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.02.009
《中国科学报》 (2023-04-17 第3版 综合)