近日，中国工程院院士万建民领衔的科研团队取得重大突破性科研成果，成功揭示亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离的分子机制，破解了长期制约亚非杂交稻培育的核心技术难题。该研究首次发现由“矛—盾—甲”三大基因构成的水稻种间遗传冲突系统，为打破水稻种间生殖屏障、培育超高产亚非杂交稻新品种提供了关键理论基础和核心种质资源。相关成果于8月28日在线发表于国际顶级学术期刊《Science》。
水稻是全球半数以上人口的主粮，也是我国核心粮食作物。稻属植物包含24个物种，仅有亚洲栽培稻和非洲栽培稻实现人工驯化栽培，二者性状优势互补性极强。其中，亚洲栽培稻丰产优质，是我国水稻种植的主流品种；非洲栽培稻具备耐高温、耐干旱、耐贫瘠、抗病虫害等优良抗逆性状。理论上，通过两种水稻杂交聚合优良性状，可培育出超高产、强抗逆的水稻新品种，大幅提升水稻产能与适应性。
然而，长期以来，亚非栽培稻种间严重的生殖隔离成为育种瓶颈。两种水稻杂交后，后代花粉活力骤降、结实率显著降低，优良基因无法正常交流重组，种间杂种优势始终难以落地应用。攻克这一生殖隔离机制，是解锁水稻超高产育种潜力、突破现有杂交稻产能上限的关键所在。
此次研究是万建民团队深耕水稻杂种优势利用领域的又一重磅成果。该团队多年聚焦“水稻杂种不育克服与杂种优势利用”核心命题，持续解锁水稻育种关键科学问题，先后在2018年、2023年分别攻克水稻种间、亚种间杂种不育核心机制，成果相继刊发于《Science》《Cell》等顶级期刊，积累了扎实的研究基础。
本次研究聚焦制约亚非水稻杂交的主效不育位点RHS3。该位点由团队2008年鉴定报道，历经18年持续攻关，科研团队完整解析了其分子作用机制。研究证实，位于水稻3号染色体的RHS3位点，可选择性导致携带亚洲栽培稻等位基因的花粉败育，最终造成杂交F1代花粉半不育。
科研人员拆解出RHS3位点的核心遗传体系，发现其由ORF4、ORF10、ORF16三个功能基因协同调控，并以古兵器生动命名为“矛—盾—甲”系统，揭示了植物种间生殖隔离的全新分子机理。其中，ORF10编码的“矛”蛋白可破坏花粉线粒体功能、杀伤花粉细胞；ORF16编码的“盾”蛋白可中和“矛”的杀伤作用，保护配子正常发育；ORF4编码的“甲”蛋白作为植物特有的选择性自噬受体，可结合“矛”“盾”形成结合体，将“矛”降解清除，特异性保护雌配子正常繁育。
该研究首次证实，选择性自噬机制直接参与植物种间生殖隔离调控，填补了植物远缘杂交育种理论空白。研究同时厘清了生殖隔离的物种差异根源：非洲栽培稻拥有完整的“矛—盾—甲”遗传系统，而亚洲栽培稻仅保留“甲”基因。二者杂交后，部分子代花粉因缺失“盾”的保护，被“矛”精准杀伤，最终形成花粉半不育的生殖隔离表型。此外，团队还溯源阐明了该遗传系统的演化路径，明确了三大基因的野生稻起源与自然渐渗杂交的组装过程。
更具育种价值的是，团队成功鉴定出一类特殊广亲和种质，其“盾”基因功能完整、“矛”基因失活。该种质可同时与亚洲、非洲栽培稻正常杂交，彻底破解RHS3位点引发的育性衰减难题，为人工打破水稻种间生殖隔离、利用远缘杂种优势提供了核心种质材料与可行技术路径。
数据显示，我国水稻种植面积和总产量稳居全球第二，单产远超世界平均水平，杂交水稻技术长期保障我国粮食安全。但目前主流杂交稻均为亚种内或亚种间杂交，增产潜力有限。业内研究表明，水稻籼粳亚种间杂交可增产20%以上，而亚非种间杂交可在此基础上再增产10%以上，蕴藏着巨大的育种潜力。此次成果突破，打通了种间杂种优势利用的理论与技术堵点。
该研究由南京农业大学、钟山实验室联合中科院华南植物园、华南农业大学等多家单位协同完成，获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等多项国家级、省级科研项目资助。业内专家评价，该成果兼具重大基础科学价值与产业应用价值，不仅完善了植物生殖隔离分子理论体系，更为超高产杂交稻新品种培育开辟了全新路径，对提升水稻产能、筑牢国家粮食安全屏障具有深远意义。
据悉，万建民院士团队将持续深耕水稻杂种不育位点研究，持续优化远缘杂交育种技术体系，全力推进超高产抗逆杂交稻新品种研发与落地应用。
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