不谋而合“背靠背” 水稻育种盼提速

(中)、欧阳一萌(右)和副研究员姜在田间观察水稻材料。

■本报记者李思慧通讯员蒋超昌

在水稻杂交育种过程中，人工去雄是一项至关重要且费时费力的工作。雄性不育材料是解决这一问题的关键。

自上世纪中叶以来，水稻细胞质雄性不育和光温敏雄性不育的发现和广泛应用，极大地促进了我国杂交水稻的育种和生产。未来，水稻育种研究人员在人工去雄方面的工作量有望进一步减少。

近日，华中农业大学(以下简称华中农大)张启发院士课题组与三明市农业科学院(以下简称三明市农科院)合作，在《国家科学评论》上首次发表了他们克隆水稻显性雄性不育基因的研究成果。这也意味着，我国科学家首次克隆了一个可以完全不育花粉的显性水稻基因。有趣的是，中国的另一个团队几乎同时发表了相关研究。

一种基因

华中农业大学水稻育种团队副研究员徐莉长期从事水稻育种工作。他给《中国科学报》算了一笔账:早上授粉前，他自己能处理40穗左右，每穗算100朵小花。在水稻杂交季节，一个月内人工去雄约10万朵小花，需要花费大量的时间和成本。

他介绍，水稻是自花授粉作物，在杂交过程中需要花费大量的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，可以省去人工去雄的过程和人工成本，大大加快育种和制种的进程。因此，“寻找不育系”成了科学家们的梦想。

华中农业大学水稻团队教授欧阳一真介绍，袁隆平院士在海南野生稻中发现不育系，通过连续回交育种培育出著名的“野败”杂交稻；朱应国院士还利用海南红芒野生稻与常规水稻杂交育成的籼型配子体雄性不育系，育成了“红莲”杂交水稻。

她进一步解释说，红莲不育和野败不育都属于细胞质雄性不育。雄性不育是植物界普遍存在的现象，根据引起不育的基因的位置可分为细胞质雄性不育和细胞核雄性不育。目前，细胞质雄性不育已广泛应用于自花授粉作物的杂交育种，极大地促进了作物杂种优势的利用和全球作物产量的提高。自然突变导致的核显性雄性不育材料非常罕见，只有极少数调控基因被克隆。到目前为止，只有一例在玉米、油菜、小麦和其他主要作物中被克隆。

2001年，三明市农业科学院的研究人员在野外进行科学研究时，偶然发现了一个显性核雄性不育自然突变体。他们眼前一亮，如获至宝，命名为“三明显性核不育”。

欧阳一真说:“显性核雄性不育突变对于作物本身来说无异于自杀。因为不能产生自交后代，基因很快就会被淘汰，所以显性核雄性不育自然突变体出现的概率极低，及时找到突变材料并保存下来更像是大海捞针。”

然而，大海捞针只是第一步。只有将不育基因克隆出来并广泛应用于科研生产，才能成为水稻育种中的“大海捞针”。

雄性不育不仅可以避免杂交中人工阉割的时间和劳动成本，而且由于显性基因在杂合状态下可以表现出稳定的不育性，杂交后代可以直接分离育性，因此可以实现快速、大规模和连续杂交。为此，尽快克隆“水稻显性雄性不育基因”成为许多研究者的梦想。

一个执着的

三明显性核不育水稻发现已有20多年。2011年左右，华中农业大学的水稻团队拿到这份材料后，开始了基因搜索和克隆。由于基因区域变异复杂，这项工作犹如大海捞针。

欧阳毅勇有个形象的比喻——通过图位克隆找到这个基因的过程，就是标记水稻基因组的不同片段，一步步检验基因组片段与功能的关系，就像从中国找到湖北省，再从湖北省找到武汉某条街的门牌号，直到定位到某个特定的房间。

"这是一个相当复杂的研究过程。"华中农业大学水稻团队博士生、论文第一作者徐从浩说，三明显性核不育材料源于一次偶然的自然突变。我们工作的目的之一是通过基因定位和序列比较来确定突变的基因。然而，籼稻和粳稻之间的突变基因组片段存在许多结构变异，这大大增加了基因定位和序列比对的难度。

回顾10多年的艰辛研究，徐从浩坦言:“我们最初选择的水稻材料，恰恰是与不育株背景差异最大的亚组，这让我们的基因定位工作走了很多弯路。幸运的是，在研究过程中，华中农业大学水稻团队的技术创新和新成果给工作带来了很多帮助。徐莉先生建立的高通量水稻DNA提取和基因分型系统，大大减少了工作量，提高了检测效率，使我们快速缩小了定位区间。rice团队构建的两个无缺口参考基因组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。是米团队多年的技术积累和成果帮助我们更好地完成了工作。”

直到四年前的2019年，华中农业大学的水稻团队终于成功克隆了这个基因。他们进一步研究和解释了基因的起源和调控显性核雄性不育的机制，最终在最近的国际期刊上正式发表了他们的研究成果。

“基因克隆成功后，每一步该怎么做就很清楚了。但是，在艰难的探索和研究实践中，你不可能每一步都走对。只有不断试错，才能找到正确的道路。”欧阳一真说道。

一个好故事

让华中农业大学水稻团队惊讶的是，就在他们与三明市农科院合作开展水稻显性雄性不育基因的克隆研究时，另一个院士团队也在进行类似的研究。

在论文提交过程中，张启发院士了解到南京农业大学万建民院士也在做同样的研究，两个团队进行了积极的交流。几乎同时，他们在《国家科学评论》和《植物技术》上分别发表了“显性雄性不育基因”的研究成果，引起了学术界同仁的广泛关注。

欧阳一萌告诉《中国科学报》:“做同样的工作，同时发表，在科研上叫背靠背。与我不谋而合的‘背靠背’不仅凸显了工作的重要性和结论的可靠性，也成为水稻研究中的一段佳话。希望研究成果能促进更多的科研和育种工作者重视和利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，使我们精确操作显性核不育基因成为可能，提高了育种和研究过程的效率和准确性。以三明显性核不育材料为基础，相信未来会培育出一批高产优质的杂交水稻新品种。”欧阳一真说道。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad210