籼粳杂种不育的遗传分析和候选基因鉴定

[目的]籼粳亚种间杂交F1的育性问题严重阻碍了亚种间杂种优势的利用,探究籼粳杂种不育的遗传机理,挖掘新的籼粳杂种不育调控基因,为促进籼粳杂种结实率遗传改良提供理论依据。[方法]粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki杂交后,采用单粒传法自交10代,获得包含95个株系的稳定遗传重组自交系(RIL),基于Illumina平台,对双亲和RIL进行高通量测序,在全基因组水平分析RIL中Habataki血缘的分布与比例,进而鉴定偏分离区域作为潜在的籼粳杂种不育位点。同时,剖析“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”中典型籼粳稻基因组变异数据,对群体水平进一步验证并趋近目标育性基因区域。最终通过序列比对锁定籼粳杂种不育候选基因。应用CRISPR基因编辑技术进行定点基因敲除,对目标基因进行功能验证。[结果]Habataki和Sasanishiki的杂交F1在穗数、每穗粒数和千粒重上体现出明显的杂种优势,但其结实率显著降低,I2-KI镜检发现F1花粉育性显著降低。RIL的全基因组高通量测序在第1、3、5、6、7和12染色体上检测到明显的偏分离,即该区域的基因型趋向于籼稻Habataki。通过序列比对,进一步确定已知育性基因Sc、S5和HSA1为第3、6和12染色体上偏分离区域的目标基因。应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc-Haba-3的多拷贝,成功改善了其与Sasanishiki杂交F1的花粉育性和结实率,说明该基因可独立行使功能。同时,在第1染色体的偏分离区域发现Habataki和Sasanishiki之间存在复杂的结构性变异,Sasanishiki基因组中一段24.7 kb包含4个预测基因的片段在Habataki中被一段64.8 kb包含10个预测基因的片段取代,此结构性变异可能参与籼粳杂种育性的调控。[结论]检测到多个籼粳杂种不育相关位点,应用CRISPR基因编辑技术敲除Habataki中Sc的多拷贝成功改善其杂种F1育性,确定其为水稻亚种间育性改良的目标基因。同时锁定了第1染色体Sd区域的目标基因。

潜心科研三十年 攻克“杂种不育”难题——记中国工程院院士万建民科研团队

粮食是社稷之本,种业是粮食之基。党的二十大提出,加快建设农业强国,全方位夯实粮食安全根基,确保中国人的饭碗牢牢端在自己手中。2022年中央农村工作会议进一步对加快建设农业强国作出了战略部署。强国必先强农,农强方能国强。现代种业对粮食和农产品有效供给具有重要的基础支撑作用。种业产业的变革对中国种业自主创新提出了新的要求与挑战。

他们潜心30年攻克包“杂种不育”难题——记中国工程院院士万建民科研团队

今年是万建民团队的“大满贯”之年。前不久,由中国工程院院士万建民领衔、南京农业大学和中国农业科学院作物科学研究所(以下简称农科院作科所)科研人员共同组成的团队,首次从分子层面阐明了稻和梗稻“杂种不育”分子机理,破解了水稻生殖隔离之谜。相关成果发表于国际权威学术期刊《细胞》。

栽培稻杂种不育性的遗传研究——Ⅲ.不同类型品种F_1花粉不育性的等位基因分化

以台中65等基因F_1不育系为遗传测验种,测定了栽培稻(O.sativa)45个品种在3个F_1不育基因座的基因型和等位基因的分化度。在S-E3基因座上,除Dular带有S_i/S_i基因型外,其余被测品种均带有S_i/S_i基因型。在S-E2和S-E5基因座上,籼型品种带有高频率的S_i基因,而粳型品种带有高频率的S_i基因。S_i和S_i均具有不同的分化度。籼型品种携带的S_i基因和粳型品种携带的S_i基因具有较高的分化度。中间型品种和广亲和品种的等位基因分化在S-E2基因座上与粳型品种相似,而在S-E5基因座上与籼型品种相似。此外,分析了各类型品种相互杂交F_1杂种在S-E2和S-E5基因座的杂合率、杂合度和杂合性。与籼/粳杂种相比,中间型品种(包括广亲和品种)与籼型和粳型品种杂交,F_1杂种均具有较低的平均杂合性,从而表现出较高的亲和性。因此,无论是杂种不育性还是杂种亲和性均由花粉不育基因控制。花粉不育基因也称为特异亲和基因。

栽培稻(Dryza sativa)杂种不育性的遗传研究 Ⅰ.等基因F_1不育系杂种不育性的双列分析

以栽培稻粳型品种台中65及其5个等基因F_1不育系作双列杂交试验。结果表明,5个等基因系中共带有三组不同位点的F_1不育基因,分别命名为 E2、E3和 E5位点组。E2和E5位点组的作用主要产生染败花粉,而 E3位点组的作用主要产生空败花粉。E3位点组的作用时期早于 E2和 E5位点组。

水稻亚种间杂种不育性的遗传分析

利用4个亚种间亲和性品种(ICV)配制单交(F_1和F_2)及三交组合,研究了水稻籼粳杂种不育性(亚种间亲和性)的遗传。结果表明:籼稻IR58和二九丰之间、粳稻秀水117和T8340之间存在不育座位的分散(或不等位)分布。不同类型三交组合结实率的变异表明,亚种间亲和性基因具有重组和累加效应。无论F_1结实率高低,其F_2群体均存在较大的育性分离,含有3个ICV的三交组合F_1亦如此,这种分离可能是由于亲本中不育座位分散分布及基因重组的结果。3对糯-非糯近等基因系与ICV的三交组合分析表明,亚种间亲和性基因与糯质基因间不存在明显的连锁关系。认为籼粳亚种间F_1的不育性(亚种间亲和性)由多基因控制,基因的加性和上位性效应可分别用于解释两种类型的亲和性——一般(广谱)亲和性和特殊(狭谱)亲和性。

浅议水稻亚种间杂种不育性的遗传基础

水稻亚种间杂种不育性是一个普遍现象,但其遗传基础复杂。本文对这种亚种间杂种不育性的类型和表现,特别是前人推导两种解释杂种F1不育性遗传模型的研究方法、优越性及局限性进行了综述与分析，从中可以看出在水稻亚种间杂种F1不育性遗传研究上已经取得了较大的进展，在一些问题上已取得了一定的共识，如这种不育性的表现，细胞质的影响，杂交F1的染色体配对行为等；而在雌雄配子败育的作用大小，不育基因位点数目及不同不育基因位点的遗传特点等方面尚不完全一致；因而水稻亚种间杂种F1不育性的遗传有待进一步的研究。

中国科学家在水稻籼粳杂种不育研究取得突破性进展

2008年,华中农业大学张启发院士以及华南农业大学刘耀光教授领导的研究团队先后在《美国科学院院报》发表了他们对籼粳稻杂种不育的最新研究成果。其研究团队不仅分别克隆了控制水稻杂种雌配子(胚囊)育性基因座位上的广亲和基因S5和雄配子不育基因Sa,还对这些基因所在座位等位基因之间的相互作用关系进行了详细分析,提出了S5基因座上三等位基因系统(triallelic system)模式和Sa座位中的"两基因/三元件互作"的模型(two-gene/three-component interaction model)。他们的研究成果在水稻杂交育种和水稻品质改良方面均有重要的应用价值,在生物进化中生殖隔离形成的分子机理上提供了具有重要理论价值的证据。这是中国科学家继2006年阐明BoroⅡ型水稻细胞质雄性不育和育性恢复的分子机理以后,在植物杂种不育机理研究方面又一次做出的重要贡献。

菜薹二倍体与四倍体间杂交的杂种不育性研究

[目的]研究菜薹二、四倍体间杂交的授粉受精和胚胎发育过程,为十字花科植物杂交不育研究提供参考。[方法]以"青露"菜薹为试验材料,对其二、四倍体间杂交的授粉受精过程及细胞胚胎学进行了观察。[结果]4x×2x和2x×4x杂交,花粉在异己柱头上均能正常萌发,2种杂交组合均有较高的胚珠膨大率。在4x×2x的杂交组合中,胚胎可正常发育到心形胚,之后胚乳开始迅速退化消失,随之内珠被细胞出现大量坏死,胚胎发育营养来源断绝,最终形成小粒种子。2x×4x的胚胎败育方式与4x×2x基本相似,但发生时期较早,球形胚时期胚胎解体,最终没有小粒种子形成。[结论]菜薹二、四倍体间杂交的授粉受精过程正常,胚胎发育过程出现异常是其败育的主要原因。

籼粳杂种不育的遗传模式及亲和基因的研究进展

克服杂种不育性是有效利用籼粳杂种强大优势的关键。为此 ,众多水稻遗传育种学家对水稻亚种间杂种不育性的遗传基础开展了广泛而深入的研究 ,并在利用亲和基因提高杂种F1育性方面取得突破。总结了控制籼粳杂种不育的基因作用模式 ,并详细综述了“广亲和基因理论”和“特异亲和基因理论”

籼粳杂种不育性遗传基础的研究进展

籼粳杂种不育是利用水稻亚种间杂种优势的主要瓶颈,其遗传机制很复杂。大多数学者均认为,水稻亚种间杂种不育是由基因控制的,与遗传重组有关。在前人研究的基础上,从遗传分化和基因控制的角度综述了籼粳杂种不育现象的遗传基础。

水稻籼粳杂种不育性的遗传机理及杂种优势利用

籼稻和粳稻是亚洲栽培稻的两个亚种,两者在形态、生理以及基因水平上存在显著差异,亚种间的遗传差异将会产生强大的杂种优势,能进一步提高水稻的产量潜力,但是,籼粳亚种间的F_(1)杂种不育性严重阻碍了杂种优势的利用。杂种不育性是一种合子后生殖隔离,具有普遍性和复杂性,受多个不育基因座控制。广亲和品种的发现为克服亚种间杂种不育提供可能,该材料无论与籼稻还是粳稻杂交,F_(1)杂种都能正常结实或结实率较高。概述了籼稻与粳稻间差异,剖析了水稻籼粳亚种间杂种不育的遗传基础、已鉴定的杂种不育主效QTL与基因,分析了已克隆杂种不育基因的分子作用机制及广亲和基因的功能。据此提出利用籼粳架桥培育亚种间渗入水稻、聚合育种培育广亲和系和粳型亲籼系,以及应用基因编辑技术创制广亲和系等途径,能够克服籼粳亚种间杂种不育性,精准化改良籼粳杂种的结实率,从而实现亚种间杂种优势的利用。籼粳亚种间杂交水稻的推广应用,将会推动水稻产业的又一次重大变革。

水稻的杂种不育研究进展

水稻亚种间杂种优势利用曾使水稻单产有了很大的提高,但水稻种间与亚种间的杂种不育性仍然普遍存在,从而影响了杂种优势的进一步利用。本研究对水稻产生杂种不育的细胞学水平原因进行了分类分析,对产生杂种不育的遗传学机理进行了探讨,对各种杂种不育基因座位的定位以及已克隆获得的基因进行了全面总结,并对如何克服杂交不育与利用杂种优势提出了自己的观点。

9311与日本晴间一个杂种不育基因的鉴定与定位

以克服亚种间杂种不育来充分发掘亚种间杂种优势是提高水稻单产的一条有效途径。本研究从一套以日本晴为背景、9311为供体的染色体片段代换系中鉴定出一个系T9424,其与日本晴配置的F_1植株小穗与花粉育性较双亲显著降低,双亲间存在不亲和。重测序结果表明T9424在第1、第4和第5染色体上导入9311片段。日本晴/T9424F_2群体内单株基因型及育性鉴定结果表明,T9424与日本晴间杂种不育基因位于第5染色体上。利用F_2群体内790株单株将该杂种不育基因定位于第5染色体分子标记PSM8与A14之间110 kb的物理区段内。对日本晴/T9424 F_1植株花粉与胚囊育性鉴定结果表明该杂种不育基因同时控制雌、雄配子败育,将该基因暂命名为S39(t)。相关结果有助于加深对水稻亚种间杂种不育现象的认识,为该基因克隆及其育种利用奠定基础。

三个基因是水稻杂种不育性关键

研究人员发现一组三个基因是水稻杂种不育性的关键所在，也是许多杂交水稻品种无法将其基因传递给下一代的主要原因，从而提出了一种模型，认为在所有水稻品种中都存在的杂种不育现象，这些发现将有助于对作为主要食物储备的水稻进行遗传改良。该研究成果发表在Science杂志上，文章的通讯作者是华中农业大学张启发院士。

植物“自私”基因被发现,破解水稻杂种不育机理

由中国农科院副院长万建民院士领衔的科研团队,在世界上率先发现了水稻“自私”基因,并由此破解水稻杂种不育的机理。这是科学史上植物“自私”基因首次被发现,证实了植物界同样存在不符合孟德尔遗传规律的非经典遗传现象。相关研究成果6月8日在线发表于国际权威学术期刊《科学(Science)》。万建民介绍,所谓“自私”基因,是指双亲杂交后,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,也就是说它具有将自身遗传信息更多传递给后代的“自私”性质,这不符合经典的“父、母基因均匀传递”孟德尔遗传规律。2017年,Science曾报道小鼠和线虫自私基因的非孟德尔遗传现象,但植物中的相关报道迄今尚未见到。

籼,粳稻的品种及广亲和品种双列杂交杂种不育性分析

亚洲栽培稻品种间杂种育性研究是一项非常有意义的工作，本研究分析了２１个亲本双列杂交产生的２１０个组合的杂种育性，所选亲范围广，包括当地品种原始栽培品种，现代优良栽培品种及杂我水稻的亲本，这些材料依据籼，粳分类标准（包括典型的籼，粳型，偏籼，偏粳型，中间类型和广亲和品种）进行了精心的选择，结果表明，不同组合杂种育性不同，从完全不育完全可育，变化较大，总的来说，亚种内杂种育性。

亚洲栽培稻5种不同生态类型与籼粳间的杂种F1育性研究

为全面系统地研究亚洲栽培稻种内不同生态类型材料与籼、粳亚种杂交育性,对19份包含亚洲栽培稻种内5种不同生态类型品种与云南温带粳品种滇粳优1号及国际水稻所选育的籼稻品种IR64的杂种F1育性进行分析.结果表明,亚洲栽培稻不同类型中,温带粳与籼亚种间普遍存在杂种不育,温带粳与热带粳间、籼籼部分组合也存在杂种不育,Aus类型与籼、粳亚种的杂种不育程度与品种相关.研究结果为系统研究亚洲栽培稻不同生态类型与籼、粳间杂种不育奠定了基础,为认识亚洲栽培稻的分化提供证据,并为利用亚洲栽培稻种内丰富的遗传变异来培育新品种、新组合提供理论指导.