华中农大张启发Science文章

　　

生物通报道：研究人员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，文章的通讯作者是华中农业大学张启发院士。

（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江义（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。

（生物通：张迪）

原文摘要：

A Killer-Protector System Regulates Both Hybrid Sterility and Segregation Distortion in Rice

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.