雌性不育技术实现更高效的杂交水稻育种

由香港浸会大学(浸大)领导的一项涉及使用开创性雌性不育技术的研究在杂交水稻种子生产方面取得了突破。与杂交水稻制种中常用的“三系”雄性不育技术相比，该新方法通过淘汰因“恢复系”自花授粉产生的水稻种子，提高了杂交水稻生产效率。

这项新技术使机器能够全自动收获杂交种子，从而大大降低收获成本。该研究成果近日发表在《CellResearch》杂志上。

雄性不育技术导致高昂的收获成本

众所周知，自花授粉植物可以保持其基因组纯合性，因此，它们的后代可以世代相传具有相同的特征。

杂种优势是指由于远亲杂交导致的基因组杂合性导致的生长速度增加，很难利用自花授粉植物。在自然界中，水稻通常是通过自花授粉来培育的。

然而，在过去的几十年里，科学家们在“杂交水稻之父”袁隆平教授的开创性工作下，开发了利用不育雄性基因的杂交水稻育种技术，这些技术可以生产出具有正常自交特性的杂交种子。大量授粉水稻植物。中国和世界其他国家广泛使用雄性不育技术生产杂交水稻种子，并导致水稻产量大幅提高。

雄性不育技术首先培育作为花粉受体的水稻“雄性不育系”的栽培品种，即植物品种。来自具有正常育性的“恢复系”的水稻品种作为花粉供体，它们在靠近“雄性不育系”的地方种植，以促进花粉转移以进行杂交。然而，“恢复系”也可以生产自花授粉种子，必须人工将其摘除，以免在机械收获前与杂交种子混杂，导致收获成本高。

从理论上讲，使用不育的雌性水稻作为“恢复系”是理想的，因为它不能产生任何自花授粉的种子。但是，由于不育雌性水稻的种质在自然界中极为稀少，不育雌性植物难以自我繁殖，因此这种方法并未被采用。

浸大生物系讲座教授张建华教授率领的研究团队探索杂交水稻雌性不育技术。图片来源：香港浸会大学

TFS1突变表现出雌性不育

经过近十年的持续研究，由浸大生物系讲座教授张建华教授领导的研究团队成功鉴定出一种优良水稻的“自发热敏雌性不育1”(TFS1)基因突变水田生产中的栽培品种。这种基因突变在正常或高温条件下(即25°C以上)表现出雌性不育，而在低温条件下(即23°C)部分恢复生育能力。它在营养生长方面没有任何缺陷。

研究小组观察到，带有TFS1基因突变的水稻可以产生具有正常雄性生育能力的健康花粉。具有正常育性的水稻在接受来自具有TFS1基因突变的水稻的花粉后可以产生正常的种子。进一步研究发现，在常温或高温条件下，花粉落在TFS1基因突变水稻的柱头上后，花粉长出的花粉管无法进入胚囊。因此胚胎无法发育并且无法产生种子。但在低温条件下，受精和胚胎发育的能力部分恢复。

在使用基因克隆和分子技术进行遗传分析后，该团队发现雌性不育突变是由Argonaute7(AGO7)基因区域的点突变造成的，Argonaute(AGO)蛋白复合物的成员负责生产许多小干扰RNA，即tasiR-ARF。这些tasiR-ARFs的下游调节调节花粉管进入胚囊，但在TFS1突变的水稻中，它在常规或高温条件下失败，因此无法实现双受精。

收获前无需去除“恢复系”

为了评估使用TFS1作为杂交水稻遗传工具的潜力，该团队在中国大陆的香港和湖南省进行了田间试验。通过基因渗入和基因组编辑将TFS1基因突变引入三个水稻品种，以创建具有热敏雌性不育性的种质资源。它们充当花粉捐赠的“恢复系”。另外三个具有雄性不育性的水稻品种被用作“雄性不育系”。

团队像传统杂交育种一样，将“恢复系”单独种植在“雄性不育系”旁边，或者在种植时在农场随机混合。在这两种种植安排中，香港超过30%的“雄性不育系”圆锥花序和湖南省超过40%的圆锥花序产生了杂交种子。结实率与使用现有“恢复系”杂交生产产量相似，但杂交水稻种子可在不去除“恢复系”的情况下收获。

巨大的商业潜力和降低的收获成本

张教授说，“如今，生产杂交水稻种子在农业上仍然是一个劳动密集型过程。雌性不育如果能作为纯花粉供体引入‘恢复系’，具有极大的降低成本的潜力，因为杂交水稻的父本和母本可以通过机器一起种植和收获，而不用担心种子的纯度。

“我们的研究结果为全自动杂交水稻育种提供了合适的性状，我们的遗传工具在商业应用方面显示出巨大的希望。为了最大限度地提高水稻产量，我们需要进一步进行大规模田间试验，以提高雌雄不育之间的接受性线。”