水稻雜種優(yōu)勢的利用為保障世界糧食安全做出了巨大貢獻。亞洲栽培稻分為秈稻和粳稻兩個亞種，亞種間的雜交后代表現出更強的雜種優(yōu)勢和更高的產量潛力。但是秈稻和粳稻亞種間存在合子后生殖隔離，導致亞種間的雜種結實率僅為10%-30%，這種雜種不育現象極大地限制了亞種間強雜種優(yōu)勢的利用。

 

　　培育與秈稻和粳稻雜交都產生正?？捎蟠膹V親和品種，是克服秈粳雜種不育、利用亞種間雜種優(yōu)勢的有效途徑。但是，雜種不育的表型涉及雄配子敗育、雌配子敗育、雌雄配子不親和等多種類型，在不同雜交組合鑒定的水稻雜種不育位點或基因超過50個，這些位點和基因間可能存在復雜的互作，給廣親和品種的精準設計和培育帶來了困難。

 

　　2023年2月25日，華中農業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室歐陽亦聃教授、米甲明副教授合作在Molecular Plant雜志在線發(fā)表了題為A minimal genome design to maximally guarantee fertile inter-subspecific hybrid rice的研究成果。該研究提出了“最簡”基因組設計育種策略：鑒定到秈粳雜種不育效應最大的四個位點S5、f5、pf12和Sc，圖位克隆了pf12位點并基于基因編輯創(chuàng)建了該位點的人工親和系。剖析了四個位點自然變異的廣親和等位基因類型，通過對不同親和模塊在恢復系的組裝創(chuàng)制了強廣親和性品種，可培育花粉和胚囊育性超過90%、正常結實的秈粳亞種間雜交稻，對未來培育高產秈粳雜交稻具有重要的理論和實踐意義。

 

　　研究工作提出“三步走”的實驗方案：首先是以少投入、短周期和高效率為目標，通過秈稻、粳稻和廣親和種質材料的F1雜種評估雜種不育的程度，并通過秈粳交的F2群體鑒定了效應最大的雜種不育位點，發(fā)現雜種胚囊不育位點S5和雜種花粉不育位點f5、pf12、Sc在典型秈粳交的遺傳效應最大，是培育廣親和品種必須要關注的位點。

 

　　在此基礎上圖位克隆了定位于第12染色體的雜種花粉不育位點pf12。研究團隊對pf12位點的研究源起20年前，通過對秈稻、粳稻和廣親和材料的三交群體定位到了這個位點，發(fā)現pf12位點嚴重降低雜種花粉和小穗的育性。研究團隊基于近等基因系對pf12進行了精細定位，發(fā)現定位區(qū)間內來自秈稻特異的pf12A基因在雜種中扮演著殺死粳稻雄配子、導致雜種后代偏分離的角色。通過基因編輯創(chuàng)建了pf12位點的人工親和系，結果表明pf12A敲除后，雜種的花粉育性和結實率顯著上升，且后代分離比恢復為孟德爾分離比。但是需要指出，對pf12位點的操縱是創(chuàng)建廣親和品種的必要非充分條件。

 

　　鑒于此，研究團隊進一步基于秈稻、粳稻和廣親和種質資源Dular兩兩雜交的F2群體剖析了S5、f5、pf12和Sc位點自然變異的廣親和等位基因類型，并將不同組合的親和模塊組裝到優(yōu)良恢復系9311中。獲得的系列廣親和中間材料和6個粳稻、2個秈稻的測交結果表明，秈粳雜種的花粉育性隨著組裝的親和模塊的增加可提高至90%以上，表現出明顯的“劑量效應”；而一直被認為調控雜種花粉育性的f5、pf12和Sc位點，其對應的廣親和等位基因在聚合系中，對胚囊育性的提高表現出“協(xié)同效應”，可以顯著地降低雜種胚囊降解、小胚囊和極核異位的比例，從而將秈粳雜種的胚囊育性提高到90%以上。最終秈粳雜種的平均結實率為84.75%，可以保障亞種間雜交稻的大田生產，實現了“一橋飛架秈粳，天塹變通途”的設想，讓未來秈粳雜交稻的基因組設計育種進入新紀元。

 

　　華中農業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室歐陽亦聃教授、米甲明副教授為該論文的通訊作者，博士研究生周鵬輝、王正基和碩士研究生朱興臣為共同第一作者，張啟發(fā)教授指導和參與了該項工作。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、湖北省重點研發(fā)計劃和湖北洪山實驗室重點研發(fā)計劃的資助。