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中国农业科学家首次揭秘水稻自私基因

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时间:2018-06-19     来源:中华人民共和国科学技术部网站

  中国农业科学家系统解析了水稻粳稻与籼稻杂种不育问题及遗传特性,发现自私基因系统控制水稻杂种不育,影响稻种基因组的分化,并有望解决水稻杂种不育的难题。该项研究成果于6月8日在国际学术顶级期刊《科学(Science)》杂志上在线发表。该研究由中国农科院作物科学研究所与南京农业大学等单位合作完成,获得科技部的大力支持,得到国家重点研发计划“七大农作物育种”专项“主要农作物优异种质资源形成与演化规律研究”项目(2016YFD0100301)的资助。

  自私基因是指双亲杂交后,父本或母本中能控制其自身的DNA片段优先遗传给后代的基因。它使亲本自身的遗传信息能更多、更快地复制,并能更多地传递给子代,其遗传不符合孟德尔遗传规律。万建民团队研究发现,水稻杂种不育性受水稻自私基因位点qHMS7的控制,并发现水稻包含三个紧密连锁的基因ORF1、ORF2和ORF3,其中ORF1基因编码一个未知功能的蛋白;ORF2基因编码一个杀配子的毒性蛋白,以母体效应导致花粉死亡;而ORF3基因编码一个解毒蛋白,以配子体效应保护配子,使携带ORF3基因的花粉可育。在“祖先野生稻-普通野生稻-亚洲栽培稻”的演化过程中,ORF1一直被保留,ORF2从没有毒性功能逐步演变成有毒性功能的类型,ORF3是在普通野生稻中由ORF1基因复制产生,并获得解毒功能,在随后的稻种驯化过程中被选择传递到亚洲栽培稻品种。研究表明,粳稻品种同时携带毒性的ORF2和解毒的ORF3,而南方野生稻只含有无毒性的ORF2,在其杂种F1中,携带南方野生稻基因型的花粉因缺乏ORF3保护而死亡,携带粳稻品种基因型的花粉因有ORF3保护而存活,最终导致后代中没有纯合的南方野生稻基因型个体存在,群体分离不符合经典的孟德尔遗传模式。

  该研究阐明了自私基因在维持植物基因组的稳定性和促进新物种的形成中的分子机制,探讨了毒性-解毒分子机制在水稻杂种不育上的普遍性,在解决籼粳杂种半不育的难题上取得了突破性进展,为揭示水稻籼粳亚种间杂种雌配子选择性致死的本质提供了理论借鉴,对进一步提高杂交水稻产量具有重大的理论意义。