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我科學家首次揭秘水稻自私基因

  中國農業科學院副院長、中國農科院作物科學研究所水稻功能基因組學創新研究組萬建民院士領銜的科研團隊系統解析了水稻粳稻與秈稻雜種不育問題及遺傳特性,發現自私基因系統控制水稻雜種不育,并影響稻種基因組的分化。該研究有望解決水稻雜種不育難題。相關研究成果6月8日在線發表于《科學(Science)》期刊。

  

 

香蕉app免费下载  自私基因是指雙親雜交后,父本或母本中能控制其自身的DNA片段優先遺傳給后代的基因。它使親本自身的遺傳信息能更多、更快地復制,并能更多地傳遞給子代,其遺傳不符合孟德爾遺傳規律。2017年《科學(Science)》曾報道了小鼠和線蟲自私基因的非孟德爾遺傳現象。這些研究表明在動物中自私基因驅動了基因組的進化,并影響了物種自身的穩定性。但關于植物的相關研究尚未有任何報道。

  雜交稻對解決我國糧食安全問題作出了巨大貢獻。但如何進一步提高雜交稻的產量,急需尋找新的技術途徑。研究表明,水稻秈粳亞種間雜交稻比目前的雜交稻能進一步提高單產15%-30%,但秈粳雜種存在半不育的問題,嚴重制約了秈粳雜交稻產量的提高。萬建民院士團隊在解決這一難題上取得了突破性進展。

  研究發現,水稻雜種不育性受水稻自私基因位點qHMS7的控制,并發現水稻包含三個緊密連鎖的基因ORF1、ORF2和ORF3,其中ORF1基因編碼一個未知功能的蛋白;ORF2基因編碼一個殺配子的毒性蛋白,以母體效應導致花粉死亡;而ORF3基因編碼一個解毒蛋白,以配子體效應保護配子,使攜帶ORF3基因的花粉可育。在“祖先野生稻-普通野生稻-亞洲栽培稻”的演化過程中,ORF1一直被保留,ORF2從沒有毒性功能逐步演變成有毒性功能的類型,ORF3是在普通野生稻中由ORF1基因復制產生,并獲得解毒功能,在隨后的稻種馴化過程中被選擇傳遞到亞洲栽培稻品種。研究表明,粳稻品種同時攜帶毒性的ORF2和解毒的ORF3,而南方野生稻只含有無毒性的ORF2,在其雜種F1中,攜帶南方野生稻基因型的花粉因缺乏ORF3保護而死亡,攜帶粳稻品種基因型的花粉因有ORF3保護而存活,最終導致后代中沒有純合的南方野生稻基因型個體存在,群體分離不符合經典的孟德爾遺傳模式。

  該研究闡明了自私基因在維持植物基因組的穩定性和促進新物種的形成中的分子機制,探討了毒性-解毒分子機制在水稻雜種不育上的普遍性,為揭示水稻秈粳亞種間雜種雌配子選擇性致死的本質提供了理論借鑒。

  該研究由中國農科院作物科學研究所與南京農業大學等單位合作完成,并得到中國農科院科技創新工程的大力支持。

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