【科研论文科普解读】

  水稻养活了全球一半以上人口，也是我国最重要的粮食作物。我们餐桌上常见的亚洲栽培稻产量高、米质优良；远在非洲的非洲栽培稻，虽产量平平，却有一身耐高温、耐干旱、耐贫瘠，抗多种病虫害的过硬本领。长久以来，育种家心中都怀揣一个美好的设想，倘若让这两种水稻实现“联姻”，把两份优良性状汇聚到同一个品种身上，就能培育出更高产、更耐逆境的水稻，守护粮食安全。

  理想很美好，现实却横亘着一道看不见的遗传高墙。两种水稻杂交之后，后代花粉活力大幅衰减，结实率显著下降，很难繁育下一代。是什么阻碍了两个水稻物种的基因交流？细胞内部正在上演怎样不为人知的博弈？8月28日，中国工程院院士万建民带领的研究团队在国际期刊《Science》在线发表最新研究成果，首次揭示了亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离的分子机制——一套由“矛”“盾”“甲”三个基因组成的精密遗传冲突系统。这一发现为打破水稻种间生殖屏障、培育超高产亚非杂交稻新品种提供了重要的理论基础和种质资源。

  让两种水稻“联姻”为啥这么难？

  不少人会产生这样的疑问，既然亚洲栽培稻与非洲栽培稻各有所长，直接开展杂交，就能把高产和抗逆的优点整合，为什么这件事迟迟难以实现？

  要回答这个问题，得先从水稻的身世说起。稻属共有24个物种，人类驯化成功的栽培稻仅有亚洲栽培稻和非洲栽培稻两个。亚洲栽培稻遍布东亚、东南亚，是我国水稻生产的主力；非洲栽培稻诞生于非洲大陆，在恶劣环境中完成驯化，抗逆性状十分珍贵。从育种逻辑来看，将二者优势基因重组，是突破现有水稻产量天花板极具潜力的路径。但自然界演化形成的种间生殖隔离，阻断了这场跨物种的基因融合。

  图片左边为非洲栽培稻、图片中间为亚非杂交稻，图片右边是亚洲栽培稻

  通俗来讲，生殖隔离就是物种之间的天然“分界线”。即便人工完成杂交授粉，得到的杂交后代也会出现花粉败育、结实少等问题，无法正常繁衍，优良基因难以传递下去，种间杂种优势也就无从谈起。

  如何打破这道屏障，一直是水稻育种领域的重大难题。万建民团队长期聚焦“水稻杂种不育克服与杂种优势利用”这一核心命题，持续攻关水稻远缘杂交的科学瓶颈。此前团队已经产出多项成果：2018年解析自私基因调控杂种育性的机制发表于《Science》；2023年揭示籼粳亚种间“毒药—解药”杂种不育系统登上《Cell》，先后发掘报道27个不育位点与广亲和基因，一步步解锁水稻杂种不育背后的密码。

  本次研究瞄准的主效位点RHS3，早在2008年就被团队鉴定发现。从位点初步发现，到完整分子机制解析，前后跨越整整18年。科研人员要回答的核心问题就是：这个位点，究竟是如何造成亚非水稻杂交后代不育的？

  细胞内的攻防大战，“矛—盾—甲”上演遗传博弈

  走进微观的水稻细胞，一场基因之间的攻防战就此展开。很多人好奇，分子层面到底发生了什么，能让杂交水稻的花粉失去活性？

  研究证实，RHS3位点并非单个基因，而是由ORF4、ORF10和ORF16三个基因共同组成的精密系统，科研人员借用中国古兵器，将它们形象命名为“矛”“盾”“甲”。

  作为“矛”的ORF10蛋白定位在线粒体之中。线粒体是细胞的能量工厂，一旦遭到破坏，细胞生命活动就难以为继。“矛”的功能就是破坏线粒体，直接杀伤花粉。而ORF16编码的蛋白如同一块“盾”，可以和“矛”发生相互作用，中和它的伤害，保护生殖细胞正常发育。

  亚洲栽培稻、非洲栽培稻及其杂种F₁的植株、花粉及小穗表型

  最特别的是ORF4编码的蛋白“甲”。它是植物特有的选择性自噬受体。选择性自噬相当于细胞内部一套精准的垃圾回收系统，“甲”可以识别靶标，把需要清理的物质送入自噬体降解。在这里，“甲”会和“矛”“盾”结合形成复合体，把具备杀伤能力的“矛”送入细胞的“回收站”完成降解，以此保护雌配子不受伤害。这也是科学界首次发现选择性自噬参与植物种间生殖隔离。

  两套栽培稻的基因配置并不相同。非洲栽培稻拥有完整的“矛‑盾‑甲”三件套，而亚洲栽培稻只保留了“甲”。当二者杂交之后，F1代会生成两种花粉。继承完整三件套的花粉，“矛”的毒性被化解，可以正常存活；另一部分花粉只继承亚洲栽培稻的“甲”，缺少关键的“盾”，无法抵御“矛”的攻击，直接发生败育，最终造成杂交后代花粉半不育。

  科研人员还追溯了这套系统的演化历程。“矛”起源于美洲的展颖野生稻，“盾”起源于大洋洲的南方野生稻。两个基因通过渐渗杂交，也就是物种间自然杂交带来的基因渗入，进入非洲栽培稻的祖先巴蒂野生稻，慢慢组装成一套完整的遗传冲突系统。这套系统是物种演化形成的自我保护机制，却成了育种工作面前的拦路虎。

  从种间杂种优势到超高产杂交稻，产量潜力有多大？

  读懂了“矛‑盾‑甲”的运行逻辑，人们自然会追问：这项基础研究，能给稻田带来怎样的改变？团队在研究中找到了一份关键种质，相当于拿到打破生殖隔离的一把钥匙。

  科研人员鉴定出一类特殊广亲和种质，这份材料里“盾”功能完好，但“矛”已经失去活性。它分别和亚洲栽培稻、非洲栽培稻开展杂交，都能够克服RHS3位点带来的育性下降问题。广亲和种质是远缘杂交的重要桥梁，这一发现，为利用亚非栽培稻的种间杂种优势提供了可落地的材料与技术路径。

  我国杂交水稻技术举世瞩目，以不足全球9%的耕地，养活了世界近五分之一人口，我国水稻单产达到全球平均水平的1.5倍。但目前大规模应用的杂交水稻，大多局限于亚种内、亚种间杂交，潜力巨大的种间杂种优势还没能被充分挖掘。已有研究表明，籼粳亚种间杂交水稻相比普通品种有望增产20%以上，而种间杂交可以在此基础上再实现10%以上的产量提升。物种遗传分化程度越高，生殖隔离越复杂，育种难度越大，但一旦实现突破，释放的增产潜力也更为可观。

  从亚种间到种间，从单基因解析到完整遗传系统破译，万建民院士团队走出一条系统解码水稻生殖隔离的科研道路。历时18年的研究，涉及遗传材料创制、基因克隆、蛋白互作等多层次实验，汇聚南京农业大学、钟山实验室、中国农科院、中国科学院华南植物园、华南农业大学等多家单位协同攻关。

  业内专家评价，该成果既有重大基础科学价值，揭示了选择性自噬参与植物生殖隔离的全新机制，同时直面育种现实痛点，为突破水稻种间生殖隔离、培育超高产新品种打下坚实基础，对保障国家粮食安全意义深远。

  基础研究的突破只是起点。下一步，团队将继续解析其他杂种不育位点，持续攻克远缘杂交育种的重重难关，向着可以真正走进田间的超高产亚非杂交稻不断前行。一粒稻米的背后，是漫长的科研长跑，读懂水稻的生命密码，才能把丰收的主动权牢牢握在我们自己手中。

  作者：宋雅娟

  科学审核：赵志刚 南京农业大学农学院水稻遗传育种创新团队成员、教授