我国科学家揭开水稻杂种优势的遗传之谜

　　杂交子一代在生长势、适应性、产量、抗性、品质等方面优于双亲的现象在生物学中被称为杂种优势。根据杂种优势的原理，育种学家通过有效的杂交配组可以实现农产品产量的显著提高。上个世纪70年代开始，我国育种学家率先开展了水稻杂种优势利用研究，陆续通过三系法、两系法等途径培育出大量杂交水稻组合, 包括“汕优63”、“两优培九”在内的一系列高产杂交组合得到大面积推广，大幅度提高了稻谷产量，为我国的粮食安全做出了巨大贡献。杂交稻的高产来自对水稻杂种优势现象的有效利用，在一些优异的杂交配对组合中，杂交稻的产量表现可以大大超越它们的纯合亲本。杂种优势的产生是由双亲基因组互作的结果，是一种复杂的生物学现象，然而这一现象背后的遗传机理一直以来不完全清楚。长期以来，植物杂种优势遗传机制的研究又被称为是植物遗传学研究的“圣杯”（Holy grail）。只有深入了解杂种优势的遗传基础，才能实现杂种优势的高效利用，推动育种技术的变革。

　　9月8日，《自然》杂志以长文形式（Article）在线刊发了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所国家基因研究中心韩斌研究组、黄学辉研究组联合中国水稻研究所杨仕华研究组取得的一项成果，题为《水稻产量性状杂种优势的全基因组解析》(Genomic architecture of heterosis for yield traits in rice)。

　　这项研究通过对1495份杂交稻品种材料的收集几乎包括了绝大部分中国杂交稻优良品种以及对17套代表性遗传群体进行基因组分析和田间产量性状考察，综合利用基因组学、数量遗传学及计算生物学领域的最新技术手段，全面、系统地鉴定出了控制水稻杂种优势的主要基因位点，分析了纯合基因型（父本或母本基因型）和杂合基因型（父/母本性）的遗传效应，详细剖析了三系法、两系法杂交稻和亚种间杂交稻杂种优势的遗传基础，最终解析了水稻杂种优势的分子遗传机制。进一步研究表明，水稻杂种优势的表现正是由这些鉴定的基因位点所决定的。而且，控制水稻杂种优势的遗传位点在杂合状态时大多表现出不完全显性，通过杂交育种产生了全新的基因型组合，从而在杂交一代高效地实现了对水稻花期、株型、产量各要素的理想搭配，形成杂种优势。如传统三系杂交稻组合中，父本（恢复系）聚集了较多的优良等位基因，综合性状配置优良；在此基础上，来自母本（不育系/保持系）的少数等位基因则进一步改善了水稻植株的结实率、穗粒数（如hd3a基因）及株型（如tac1基因），实现了杂交组合子一代的优势表现。这些发现对推动杂交稻和常规稻的精准分子设计育种实践有重大意义。利用这项研究成果，科研人员有望进一步优化水稻品种的杂交改良，实现对亲本材料的高效选育和配组，服务于具有高配合力特性的亲本材料和聚合双亲优点的常规稻材料的创制和改良，选育出更加高产、优质和多抗的水稻种质资源，对实现高效的分子设计杂交育种有重要的指导意义。该成果既是一项“用得上、有影响”的重大应用基础性成果，也是植物基础前沿科学研究的重大理论突破。

　　该项研究得到了中科院先导专项(“分子模块设计育种创新体系”) 和国家自然科学基金委等项目资助以及中科院分子植物科学卓越创新中心的支持。该项研究是中科院先导专项“分子模块设计育种”的重大研究任务，也是中科院分子植物卓越创新中心“作物复杂性状和杂种优势分子机制”研究方向的重大研究目标。