作物育性理论研究“973”项目获系列创新成果 - 为我国粮食安全提供长久保障

中国科学报,2012-4-27,作者：彭伟

作物育性是作物“传宗接代”的能力，也是产生人类赖以生存的粮食的基础。过去几十年来，以作物育性为基础的杂交育种为农作物产量的提高作出了巨大的贡献。但是，进一步提高育种水平，确保我国粮食生产的长治久安，仍有赖于对作物育性形成分子机制的深入研究。

在国家重点基础研究计划（“973”计划）的资助下，来自武汉大学、北京大学、中国农业大学、北京师范大学等高校的植物生殖生物学家，自2007年7月开始，围绕“植物生殖发育与育性的分子基础及其在农业中的应用”项目，通过5年联合攻关，在阐明作物育性机理方面取得了一系列突破性进展。

近日，该项目首席科学家、武汉大学教授孙蒙祥表示，参与该项目的植物学家在雄性不育、杂种不育、自交不亲和、性母细胞分裂、花粉管发育等育性形成相关的重要调控机制研究方面，取得了一批具有原始创新性和国际前沿性的成果，并在该领域的国际著名杂志上发表论文30余篇，为作物育种提供了新思路、新技术和新种质资源，也使我国在该领域的研究跻身国际前沿。

理论创新为新种质资源提供新方法

“杂交水稻是我国粮食生产的主要作物，对保障我国的粮食安全起着举足轻重的作用。三系杂交稻育种的关键是要有理想的雄性不育系。”孙蒙祥介绍说，目前，雄性不育系的获得主要靠寻找自然存在的株系和杂交选育，因而常常需要一个复杂艰苦的过程。

参加该“973”项目的上海交通大学教授张大兵等从研究雄性生殖器官发育的分子机理入手，发现了调控水稻雄性生殖细胞育性的一些关键基因，并阐明了这些基因调控水稻花药和花粉发育的作用机制和信号转导途径。研究成果对于解析重要粮食作物水稻的雄性生殖发育过程具有重要意义。

“有趣的是，研究人员发现这些调控机制在不同的物种中具有相似的途径，这就为解读其他作物雄性生殖器官的育性调控机制提供了捷径。”孙蒙祥表示。

目前，相关原创性研究成果已经在植物科学权威刊物《植物细胞》上发表多篇论文。

据介绍，在基础理论研究领域的这些突破为人工调控作物花粉育性、创建人工智能不育系，提供了明确的新思路和新技术。值得期待的是，植物学家们已着手利用基因工程不育株系及相关基因创制人工智能不育系。相信在不久的将来，可以应用到水稻育种及生产当中。

研究成果为作物改良增添后劲

育性的遗传控制是杂交稻育种的核心。袁隆平院士曾提出我国杂交稻由三系到两系，再到一系的育种战略。

目前，两系杂交稻的应用仍有明显的局限性。阐明光温敏不育的分子遗传机理是实现新的育种战略的关键一步。

在“973”项目的资助下，项目组科研团队系统开展了水稻光温敏不育基因和杂种不育基因的克隆和分子机理研究，取得了一系列重要进展。

值得注意的是，研究人员从两系杂交稻的光敏不育系农垦58S和温敏不育系培矮64S中克隆出了光温敏不育基因。他们发现，该基因的功能缺失是产生光温敏不育的主要原因。该发现与华中农业大学张启发院士所领导团队的研究成果殊途同归，揭示了光温自然条件下，改变调控两系水稻可育与不育的分子机制，对未来两系水稻不育系的培育和水稻育种新战略的实施具有重大意义。

此外，种间或亚种间杂交是引进新的基因资源、充分利用杂种优势的一项重要作物育种策略。杂种不育则是杂种优势利用的一个主要障碍。

参加该“973”项目的华南农业大学教授刘耀光、庄楚雄等成功地克隆了亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间杂种不育基因S1和S20。进一步的研究表明，S1控制杂种的雌性不育和雄性不育，是种间杂种生殖隔离效应最大的基因，由此研究人员明确了非洲稻和亚洲稻的S1等位基因在某些特定区域发生了变异，从而导致杂种不育。

在针对不育基因S20的研究中，研究人员发现该基因主要负责控制杂种的雄性不育，并编码一个单糖转移酶。研究表明，亚洲稻的S20等位基因在编码区发生了1个氨基酸变异，使该单糖转移酶的活性改变而产生杂种的花粉败育。

孙蒙祥介绍说，该成果是这一领域近年来取得的最重要进展，将为杂交稻的分子育种、克服杂种育性障碍和进一步利用水稻杂种优势提供理论指导。

有力提升我国植物育性研究水平

植物育性形成与育性转换调控的分子基础研究，具有极为重要的理论价值与生产实践意义。世界发达国家都着眼于农业长期、深层次发展的战略需求，对植物育性形成与育性转换分子机制的研究一直给予高度重视。

但是，由于经济衰退，目前国外的相关研究难以组织像上世纪末那样的有规模的团队。相比之下，“植物生殖发育与育性的分子基础及其在农业中的应用”项目的顺利实施，有力保障了我国植物生殖生物学家集中优势研究力量，搭建共享技术平台，从而建立坚实的研究基础。

该项目组研究人员在雄性不育、杂种不育、自交不亲和、花粉母细胞减数分裂、花粉管发育等育性形成相关的重要调控机制方面的研究，取得了一系列具有原创性和国际前沿性的成果，受到国际同行的密切关注。同时，在该“973”项目的支持下，相关领域的国际会议在我国成功举办。在第21次和22次国际植物有性生殖大会上，项目组的多名植物生殖生物学家也应邀作大会报告，产生了广泛的影响。

项目组科学家认为，该“973”项目的实施有力地推动了我国相关领域的研究发展，使之跻身于国际前沿。同时，近年来，作物育性的研究发展迅猛，大量新技术、新方法的建立与应用为揭示作物生殖奥秘、阐明作物育性机理，提供了前所未有的机遇。

“我们在作物育性分子调控机制研究领域已取得了重要进展，并为进一步深入研究奠定了坚实的基础。”孙蒙祥认为，如果能得到国家的持续支持，将使我国在该学科的国际前沿中占有更加重要的位置，并抢先获得具有自主知识产权的基因资源和源头创新性成果。

“通过揭示植物育性的遗传调控机制并获得重要的功能基因，有利于创建新的育种体系，提高作物育种效率和产量，获得农作物优良品种，确保我国粮食安全的长治久安。”孙蒙祥表示，项目组科学家期待能为我国生命科学的发展和农业生产作出新的更大贡献。