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【江苏科技报】水稻基因也“自私”南农大最新研究揭示水稻杂种不育现象

2018-06-12来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:党委宣传部

《自私的基因》是英国演化理论学者理查德·道金斯的经典著作,说的是双亲杂交后,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,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,从而维持物种自身的稳定性。近日,南京农业大学万建民院士团队创造性地运用自私基因模型揭示了水稻的杂种不育现象。6月8日,国际顶级学术杂志《科学》在线出版了这一突破性成果。

提高水稻产量对国家粮食安全意义重大。科学界普遍认为,利用水稻籼粳交的杂种优势可以提高 15%

至30% 的单产,但同时会出现花粉不育、小穗结实率低、子粒不饱满等杂种不育现象。该校农学院博士后余晓文告诉记者,这是“自私基因”在作祟。

为什么这么说?余晓文打了个比喻,在水稻将要形成花粉的细胞(花粉母细胞)中,自私基因系统中存在毒蛋白和解毒蛋白,解毒蛋白类似花粉发育过程中的“护身符”,若花粉细胞中不含有解毒蛋白,其发育过程就会因为没有

“护法”,不可避免地受到毒蛋白的“毒害”而死亡;而含有解毒蛋白的花粉细胞,其发育过程会自动消除毒蛋白的毒害作用,使亲本自身的遗传信息更多地传递给后代,“自私”地维持了物种自身的稳定性。

该校农学院赵志刚教授介绍,这种类似于“矛”与“盾”关系的毒蛋白和解毒蛋白,其实就是水稻中紧密连锁的基因“ORF2”和“ORF3”的产物,团队以亚洲栽培稻品种滇粳优1 号和南方野生稻为研究材料,系统解析了水稻自私基因位点“qHMS7”的遗传构成,发现 ORF2基因编码一个毒性蛋白,对全部花粉的发育有毒害作用,而

ORF3基因则编码一个解毒蛋白,“选择性”地保护携带它的花粉,确保其可育,非常“自私”。研究发现,普通野生稻中,约50%的材料含有ORF3,经过长期的演化,栽培稻中,90%以上都含有ORF3。

有意思的是,南农大科研团队还探寻出了水稻自私基因演化的“ 古战场”。“大反派”毒蛋白ORF2原本只是个“跑龙套”的,而能够将其“绳之以法”的解毒蛋白 ORF3其实是由一个看似微不足道的“ORF1”基因进化而来。在漫长的“祖先野生稻-普通野生稻- 亚洲栽培稻”的演化过程中,

ORF1没有功能,但一直被保留,

ORF2 是从没有毒性功能的单倍型逐步演变成有毒性功能的单倍型,而

ORF3则是在普通野生稻中由ORF1 基因复制产生,并在随后的稻种驯化过程中传递到亚洲栽培稻。

据了解,在实践意义上,该成果可以创制“广亲和”材料,克服杂种不育障碍,从而提高水稻单产。

  

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