华农科研天团 破解杂交稻『基因密码』增产潜力或达四成

刘耀光院士

刘耀光院士指导学生

图/视觉中国

　　国家科技奖获奖2018团队风采   2

　　文图 羊城晚报记者   

　　在1月8日的2018年度国家科学技术奖励大会上，中国科学院院士、华南农业大学教授刘耀光主持完成的“杂交稻育性控制的分子遗传基础”荣获2018年度国家自然科学奖二等奖。这是华农首次荣获该类别的国家奖，实现了国家自然科学奖“零的突破”。

　　雄性不育及其育性恢复是杂交水稻育种关键的理论和技术问题。这项成果则阐明了应用于三系杂交水稻育种的孢子体型（野败型为代表）和配子体型（包台型为代表）细胞质雄性不育及其育性恢复的分子机理，阐明了水稻籼粳杂交不育与亲和性的分子遗传机理，提出了“双基因三因子互作”和“双基因分步分化”的分子遗传模型，发现了具有育种价值的新种质，是我国杂交水稻分子遗传基础研究上的重大突破。

　　记者了解到，这项研究目前处于世界领先地位，是杂交稻育种领域的重大突破，对国民经济尤其是水稻粮食安全，有其特殊意义。

　　水稻为何能杂交？

　　20多年研究

　　找到水稻不育基因和恢复基因

　　40多年前，以袁隆平院士为代表的中国科学家用杂交水稻开创了提高水稻单产的途径，但杂交水稻育种往往依赖经验和运气。

　　中国科学院院士、植物遗传学家、华南农业大学生科学院教授刘耀光团队破解了杂交稻“基因密码”，由此扩大配种、杂交的组合范围，能创造更优良的杂交组合。

　　刘耀光的学生、华南农业大学教授陈乐天告诉记者，水稻是雌雄同柱同花，自花授粉，要成功杂交，必须一株水稻花的雄性器官不育，以接受外来的花粉，即不育系；同时，还要培育出有恢复基因的另一株水稻。用恢复系的雄花为不育系的雌花杂交，杂交之后产生的后代才可育。“没有不育基因，水稻就会自己给自己授粉；没有恢复基因，不育系授粉后也无法结子。”

　　怎么破解杂交水稻的“基因密码”？不育和恢复背后，有怎样的分子机制？经过20多年攻坚克难，一代代师生接力，刘耀光团队发现，植物细胞质雄性不育与育性恢复都是由线粒体基因与细胞核基因互作所控制，阐明了线粒体不育基因的起源进化和分子作用机制，同时揭示了复合座位多基因互作控制植物杂种不育性与亲和性的遗传机理。

　　“我们研究发现，雄性不育是由于一个来源于野生稻的新线粒体基因WA352，破坏了可育功能；我们还发现，有两个育性恢复基因可以与WA352相互作用，抑制其带来的不育问题，恢复育性。”陈乐天说。

　　2013年，团队成功克隆上述不育基因，并在2014年成功克隆其中一个恢复基因。

　　新发现有什么用？

　　大大缩短育种时间

　　创造更优良的杂交稻品种

　　陈乐天告诉记者，这一成果的突破意味着，科研人员可以有意识地精准利用这些基因，扩大配种、杂交的组合范围，改变传统育种靠经验、靠碰的局限，创造更优良的杂交组合。

　　“我们研究发现的这些基因的分子标记，可以辅助筛选，更精准发现具有这些性状的水稻，加快育种过程。”刘耀光的学生、华南农业大学博士后唐辉武说，“以往，科学家要育成一个杂交稻品种，起码要10年，而且不是所有材料都有恢复基因，不育基因更是只有小部分材料才有；破解‘基因密码’后，可以利用不育基因的标记快速找到含不育基因的材料，并克隆出来，育种更快、更精确，只需3年左右就可以培养出不育系。”

　　杂交稻还能再增产吗？

　　破解杂种不育基因

　　籼粳杂交增产潜力达40%

　　众所周知，远源杂交的产物如骡子，由于生殖隔离，纵使杂交成功也无法产生后代。杂种不育至今仍是一个生物学难题，但亲缘关系越远，杂种优势越强，如何解决杂种不育问题？刘耀光团队经过20多年的研究，发现了杂种不育基因的关键位点Sa，并解决了其分子基础问题，同时提出复合座位多基因互作控制植物杂种不育性与亲和性的遗传机理。

　　“以前，我们说，作物的一个性状都是由一个基因决定的，我们在克隆Sa时发现，很多不同作物都存在由一个遗传座位和多基因组成复合座位的情况。”陈乐天透露，破解杂种不育基因后，不同种之间的生殖隔离或可能破解，远缘杂交的优势将能更大程度得到发挥。

　　以杂交稻育种为例，水稻有22个种，其中20个都是野生种，只有亚洲稻和非洲稻是可以栽培的。其中，亚洲稻又分成两个亚种：籼稻、粳稻。

　　籼稻和粳稻是比较远的亲缘关系，杂交的话会产生生殖隔离，破解杂种不育问题后，籼粳杂交的杂种优势将更强，增产潜力更大。“目前杂交稻增产潜力约为10%-20%，籼粳杂交后，增产潜力可能达到35%-40%，即相同面积又可实现10%-15%的增产。”陈乐天说，“更长远意义上来说，我们还可以考虑非洲稻跟亚洲稻之间更远源的杂种不育问题，有可能大幅增加杂交稻的产量。”

　　靠什么实现“零的突破”？

　　23年接力坚持

　　终把“冷门”做成了“热门”

　　1996年，刘耀光院士团队开始聚焦杂交稻育性控制的分子遗传基础问题，23年间，团队中迎来又送走了一茬一茬的博士生、博士后，始终没有放弃。“刘院士20多年来都在专注做这个研究，很多国外科学家也曾在做，但未必能坚持，只有我们坚持了下来，并取得了领先世界的研究成果。”陈乐天说。

　　坐得了冷板凳，把“冷门”做成“热门”，在陈乐天看来，这是团队最为自豪的地方。

　　“我从读博士开始就开始涉及相关研究，坚持去做一件事，需要强大的勇气和毅力。技术永远在进步，就看你能不能熬到你能看得到的那天。”陈乐天笑道，“我们的很多工作都是原创的，摸着石头过河，很少跟在别人屁股后面追热点、跟风，跟着自己的节奏，把别人认为不起眼的东西做出来，得到同行的认可。”

　　20多年几代科研人员的积累，最终摘得国家自然科学奖二等奖，这个团队仍未停步。“科学问题永远都在，还有一个恢复基因待克隆，我们也接着刘院士的棒在攻克。”陈乐天说。