我国科学家在水稻杂种优势研究中取得突破性进展

Nature 杂志9月8日在线刊发了中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所国家基因研究中心韩斌研究组和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研究成果，并于同期配发了评论。论文题为“Genomic architecture of heterosis for yield traits inrice”(水稻产量性状杂种优势的基因组解析)。该研究得到了国家自然科学基金项目（项目编号：31322028，91535202，31421093)等项目的资助。

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，然而这一现象背后的遗传机理一直以来不完全清楚。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）。

中国科学院上海植物生理生态研究所和中国水稻研究所的研究团队通过对1495份杂交稻品种材料以及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，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，发现了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有重大意义。

图1 杂交水稻成熟的大穗(龚俊义提供)

图2 杂交稻开花期性状的遗传分析