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[科教] 袁隆平点赞:千人学者引领水稻育种新时代

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发表于 11-21-2016 08:27 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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从上世纪六十年代开始,袁隆平先生带领他的团队开创了我国杂交水稻育种研究领域,创立了“三系法”育种体系,在世界上率先实现大面积利用自花授粉作物的杂种优势。现如今,杂交水稻已占我国水稻种植面积的58%,为解决中国人民吃饭的问题发挥了巨大的作用。

杂交水稻取得今天的成就包含着袁隆平和多位育种专家的心血和智慧。不仅如此,杂交水稻育种的技术体系也经历了两次重要革新。一次是上世纪七十到八十年代建立的“两系法”育种体系,一次是最近得以实现的“广三系”育种体系。领衔建立“广三系”育种的是两位国家“千人计划”学者——邓兴旺、唐晓艳。这套技术也被袁隆平称赞为“3G育种技术”。

同一种生物的不同品种或者相近物种进行杂交,获得的杂交一代往往在生长、适应、产量上优于双亲,这种现象被称为杂种优势。利用杂种优势正是杂交育种的目的。那么,水稻的杂交育种究竟难度在哪里呢?原来,植物的性别分为雌雄异株、雌雄(同株)异花、雌雄同花。雌雄异株也就是一种植物分“公”、“母”两种植株,譬如杨树、柳树。“公”的产雄花,雄花产花粉;“母”的产雌花,接受花粉受精,形成果实、种子。用这样的植物做不同品系间的杂交试验当然简捷明了。雌雄(同株)异花也就是植物的花分“公”、“母”,但是长在同一植株上,譬如玉米。经过人工或机械修剪,这类植物也不难去除雄花,接受其他品系的花粉进行杂交试验。雌雄同花则是植物的雌雄生殖器官都长在同一朵花里,自己给自己授粉,所以很难在不同品系之间进行大规模的杂交制种。水稻就是雌雄同花植物。要对不同品系的水稻进行杂交,获得比原有品系具有经济性状更好的杂交品种,满足生产要求,就需要获得由遗传变异导致雄花不育的品系,这就是雄性不育系。

袁隆平团队建立的“三系法”育种体系包括雄性不育系、保持系、恢复系三种稻株。雄性不育系不能自身繁殖产生后代,需要以其作为母本、以保持系作为父本进行繁殖,获得大批保持雄性不育特征的种子。在杂交制种时,以雄性不育系作为母本,以恢复系作为父本,进行杂交获得既有杂交优势又恢复花粉可育性的种子。“三系法”为杂交水稻育种作出了巨大贡献,但也存在明显的问题。能用作不育系、保持系、恢复系的水稻资源都是比较稀有的,有许多我们希望通过杂交聚合在一起的性状特征,因为不能形成三系配套而无法进行杂交制种;另一方面,多种优良性状杂交组合的周期较长、难度较大。

上世纪七十年代,湖北农技师石明松发现“光敏核不育”水稻,这种品系在长日照高温季节显示雄性不育性状,而在短日照低温季节又恢复可育性。基于这一发现,他提出“两系法”杂交育种思路。“两系法”免除了对保持系和恢复系的依赖,使得制种程序更简单、配组更自由、好品种更易选,是对袁氏“三系法”的一次突破。八十年代,湖南农艺师邓华凤又发现水稻的温敏核不育系,丰富了“两系法”技术体系。但是,光温敏不育系的育性转换受季节、地域限制,不育系随繁殖代数增加临界不育温度发生漂移,在大规模制种时可靠性降低,甚至造成较大风险。


针对“三系法”、“两系法”存在的问题,比利时的植物遗传系统(Plant Genetic System)公司在1993年提出了用分子生物学技术解决的方案,即通过转基因向雄性不育植株导入三个基因元件,即育性恢复基因、花粉败育基因和荧光标记基因,获得保持系。这种保持系通过自交,其后代既有非转基因的不育系植株,也有转基因的保持系植株,其中非转基因的不育系用于进一步杂交制种。2006年,美国的杜邦先锋公司在玉米率先建立了这一杂交育种体系。

最近,由深圳作物分子设计研究院邓兴旺、唐晓艳领衔完成的研究,首次在水稻实现了基于三基因元件的雄性不育系分子设计育种体系,论文已在《美国国家科学院院报》(PNAS)上线(http://www.pnas.org/content/early/2016/11/17/1613792113.full.pdf)。

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为了确保完全自主知识产权,该团队从化学诱变获得雄性不育系做起。他们利用籼稻“黄华占”进行诱变、筛选,发现一株花药小且发白、不能形成花粉的突变株。其不育性状不依赖于日照长度和温度,生长、开花以及花的形态均无异常。克隆鉴定发生突变的基因OsNP1并进行比对分析,其产物可能是一种氧化还原酶,催化长链脂肪酸在w位的醇脱氢反应,生成二羧酸脂肪酸,在表面角质的交联中发挥作用。该基因在花药的绒毡层和花粉粒特异表达,调节绒毡层退化和花药外壁及花粉细胞壁的形成。

基于以上发现,他们将OsNP1与来自于玉米的a-淀粉酶基因、一种来自于珊瑚的红色荧光蛋白基因串联,导入先前获得的雄性不育突变株,获得转基因株。其中OsNP1可恢复雄性可育性,淀粉酶基因阻断淀粉贮藏使花粉失去活性,红色荧光蛋白则作为标记帮助种子分选。转基因杂合株经过自交,按1:1比例产生非转基因的雄性不育种子和转基因的雄性可育种子,两者可根据红色荧光进行分选。再将二者杂交繁殖,即可批量生产获得非转基因的雄性不育系。

将这种不育系与约1200个不同种质的水稻品系进行杂交,大约有85%子一代产量超过了亲代,10%超过了当地最好的品系。以300个实验株为群体的小区实验显示,杂交一代产量超过亲代产量较高的一方17.8%到62.8%。

与“三系法”相比,被袁隆平称赞为“3G育种”的新技术把水稻品种资源利用率从5%提高到95%;与“两系法”相比,新技术也避免了对光温的育性依赖,可靠性显著提高。该技术体系中,用于杂交育种的雄性不育系不带有任何转基因成分,规避了公众敏感的转基因问题。据主持深圳作物分子设计研究院日常工作的唐晓艳教授介绍,目前已有80余家单位试用该技术进行杂交水稻配组,产生出许多优势杂交组合。可以预见,随着该技术的推广,杂交水稻育种将迎来一个新时代。

人物介绍:

邓兴旺,湖南省沅陵县人,耶鲁大学Daniel C. Eaton冠名讲席教授(植物生物学),北京大学长江特聘教授,2009年入选国家“千人计划”,2013年4月30日当选美国科学院院士。

唐晓艳,辽宁省庄河县人,曾任美国堪萨斯州立大学终身教授,2010年入选国家“千人计划”全职回国。

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发表于 11-21-2016 12:17 PM | 显示全部楼层
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发表于 11-24-2016 01:57 AM 来自美国米群网手机版 | 显示全部楼层
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