近日，华中农业大学张启发院士研究发现一组三个基因是水稻杂种不育性的关键所在，也是许多杂交水稻品种无法将它们基因传递给下一代的主要原因，从而提出了一种模型，认为在所有水稻品种中都存在的杂种不育现象，这些发现将有助于对作为主要食物储备的水稻进行遗传改良。该研究成果发表在Science杂志上。
图片显示了杂交籼粳亚种间的杂种优势和不育性
当两个不同的物种交配时，例如一匹马与一头驴交配，它们的杂交后代——此处指的是骡子生而就是不育的。这种被称为杂种不育的现象并不局限于动物王国：大量的植物能产生可存活的杂种，但这些杂种在遗传上就进了死胡同。
来自华中农业大学的杨坚毅（Jiangyi Yang，音译），与香港中文大学的研究人员合作探索了栽培稻Oryza sativa中的籼稻和粳稻亚种之间的杂种不育性。
研究人员聚焦于水稻染色体上的一个特殊区域：S5，此前他们曾发现这一区域与杂种不育有关。结果研究人员发现了三个紧密连锁的基因：ORF3，ORF4，ORF5调控着籼-粳稻杂种的不育性，他们表示，其中ORF5基因扮演着“杀手”的角色，ORF4辅助它，而ORF3则功能相反，作为保护者存在。
图片显示了杂交籼粳亚种间的杂种优势和不育性
显然，在籼稻-粳稻杂种中，杀手基因和它的助手合作，杀死了雌性配子，或称卵子，而保护基因则积极地挽救雌配子。研究人员具体解释道，ORF5基因能编码一种分子，传递信号给ORF4，从而导致细胞内质网上的胁迫增加，并最终激活了ORF3，而ORF3的作用正是稳定和保护内质网。
研究人员发现这种杀手-保护者系统是这两种水稻间杂交不育的基础，他们提出，ORF4 和 ORF5这种非致命性的组合允许籼稻-粳稻杂种将其基因传递给后代，从而克服这一杂种不育现象，为培育更为理想的水稻品种奠定基础。
这项研究得到了国家自然科学基金会、863项目及111项目的资助。国际稻子研究所的D.S. Brar提供了稻种。
A Killer-Protector System Regulates Both Hybrid Sterility and Segregation Distortion in Rice
Jiangyi Yang, Xiaobo Zhao, Ke Cheng, Hongyi Du, Yidan Ouyang, Jiongjiong Chen, Shuqing Qiu, Jianyan Huang, Yunhe Jiang, Liwen Jiang, Jihua Ding, Jia Wang, Caiguo Xu, Xianghua Li, Qifa Zhang
Hybrid sterility is a major form of postzygotic reproductive isolation that restricts gene flow between populations. Cultivated rice (Oryza sativa L.) consists of two subspecies, indica and japonica; inter-subspecific hybrids are usually sterile. We show that a killer-protector system at the S5 locus encoded by three tightly linked genes [Open Reading Frame 3 (ORF3) to ORF5] regulates fertility in indica-japonica hybrids. During female sporogenesis, the action of ORF5+ (killer) and ORF4+ (partner) causes endoplasmic reticulum (ER) stress. ORF3+ (protector) prevents ER stress and produces normal gametes, but ORF3– cannot prevent ER stress, resulting in premature programmed cell death and leads to embryo-sac abortion. Preferential transmission of ORF3+ gametes results in segregation distortion in the progeny. These results add to our understanding of differences between indica and japonica rice and may aid in rice genetic improvement.
文献链接：A Killer-Protector System Regulates Both Hybrid Sterility and Segregation Distortion in Rice
