Nature:杂交水稻为什么好?这个问题可没那么简单

2016-09-09 | 作者: 李玉玺 | 标签: 水稻 杂种优势

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杂交育种的历史由来已久,但到底为什么杂交出来的后代有更加优良的性状,这一问题却长期无人解答。中科院上海生科院研究者发表在Nature上的新研究,或许能为水稻杂交育种研究和应用开辟新的方向。




图片来源:Nature

杂交育种的历史由来已久,人们通常把具有不同优良性状的植株杂交来产生更加优良的后代,例如:有的水稻抗病但产量不高,有的水稻产量高但不抗病,通过把它们两个杂交,我们就可得到抗病高产的水稻;有些水稻产生了耐旱突变但在亲本中显现不出来,但其杂交后代可能显现出耐旱性状。在生物界,两种遗传背景不同的植物进行杂交,其杂交后代往往表现出优于双亲的性状,比如抗逆性强、早熟高产、品质优良等,这些性状有可能是双亲表现出来的性状,也有可能是双亲未表现出的新性状,我们都称之为“杂交优势”,这是杂交育种的理论基础。杂交育种产生的作物为世界粮食安全做出了卓越贡献。然而,虽然这项技术我们已经使用了多年,但“杂交优势”的遗传机理问题,也就是到底为什么杂交出来的后代有更加优良的性状,却长期无人解答。

不过,最近事情有了突破性进展。9月8日的《自然》(Nature)发表了中科院上海生科院植物生理生态研究所韩斌院士、黄学辉研究员带领的研究组的论文,他们筛选出了与“杂交优势”相关的候选基因,并检测了其结构功能。《自然》杂志的News & Views栏目高度评价了这项开创性的研究工作,评论专家James A. Birchler说:“这是一篇该领域的代表之作!” James A. Birchler是美国科学院院士、遗传学家,主要从事真核生物调控基因平衡、剂量补偿和植物杂种的理论和应用研究,是国际著名的该领域学术权威。

黄学辉等人利用17个代表性优质杂交水稻品系,通过杂交产生了10000多个新杂交品系,根据不同的杂交策略将品系分为了三类。同时,他们以籽粒产量、开花时间、株型为指标,通过DNA测序和遗传作图(一种确定基因在染色体上位置的遗传学方法)确定了相关基因种类并实现了染色体定位。这些基因大多与数量特征有关,但是,他们没有发现一个可以广泛造成“杂交优势”的基因,这说明每个品系内部的具体遗传机理各不相同。

为了更好的理解黄学辉等人的工作,我们先来了解几个重要遗传概念。完全显性是指后代只表现某一亲本性状的现象;不完全显性是指后代表现正好介于双亲之间的性状的现象。介于两者之间的连续变化特征我们称之为部分正向显性或部分负向显性。在某些时候,后代性状优于双亲性状的现象,我们称之为超显性,具体概念可看下图。黄学辉等人找到的基因大多为部分正向显性基因,因此,杂交优势或许来自于多个部分正显性基因的共同作用。



从上个世纪开始,业界内就流行一种关于杂交优势的假说:在自然状态下,生物体往往是纯合子,即拥有完全相同的一对基因(基因位于染色体上,大多数生物体染色体成对存在),当其中一个出现突变时,不会显现出表现型的差异,然而当不同个体杂交时,发生突变的染色体就可能拼在一起,突变表型就显现出来。然而,科学家们普遍认为这个假说太过简单,不能充分解释杂交优势的原因。这个假说是建立在完全显性遗传的基础上,但是黄学辉等人在研究中并未发现此类基因,显然,这其中有更加复杂的调控机制在起作用。

黄学辉等人研究发现,他们找到的部分正向显性基因,其表达产生的蛋白数量也会反过来影响基因本身的表达,也就是说等位基因的数量很大程度上决定了最终的表现型,这种现象被称为“剂量敏感性”,这就解释了杂交后代在双亲已有的性状上会体现得更出色。不过,这些剂量敏感型基因都是独立体系,他们内部相互联系,但是彼此之间却各不相通。比如双亲都是晚熟的水稻,但其中一种的基因产物可以促进另一种控制开花时间的基因,产生的杂交种就会早熟了。这也充分说明,“杂交优势”并不是亲本优良性状的简单加和。

黄学辉等人的工作无疑是开创性的,它使杂交育种技术从无目的的简单拼合朝着更加合理可预测的方向发展。著名植物分子生物学家李家洋院士高度评价他们的工作,认为:“这是我国在水稻基础理论和应用领域的又一重大成果,将对水稻研究和生产产生深远的促进作用。”

需要注意的是,黄学辉等人的工作利用的全部是部分正显性基因,为什么两个植株杂交不会出现负显性,即优良性状互相抵消呢?其中机理有待科学家们进一步探讨。

参考资料:
Huang, X. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature19760 (2016)
贺竹梅. 现代遗传学教程[M]. 中山大学出版社, 2002.
 

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来源: 环球科学ScientificAmerican

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