新技术为杂交水稻制种过程带来突破

2022年12月1日

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生物系张建华教授带领的研究团队,开创雌性不育技术,可提升杂交水稻种植的效率。

 

过去数十年,在「杂交水稻之父」袁隆平教授的启导下,科学家运用雄性不育基因开发杂交水稻制种的技术,令全球水稻产量大幅提升。由浸大领导的研究团队,开创雌性不育技术,可提升杂交水稻种植的效率,实现以机器全面自动化收割杂交种子,令制种成本大幅降低。研究结果已于近期刊登在尖端国际科学期刊《Cell Research》。

基因突变致雌性不育

生产杂交水稻种子常用技术以「雄性不育系」的水稻品种作花粉受体,育性正常的「恢复系」水稻品种则作为花粉供体,栽种于「雄性不育系」水稻旁,以传播花粉进行杂交。然而,「恢复系」水稻会透过自花授粉结出种子,因此在使用机器收割前,须先以人手移除「恢复系」的自交种子,以免与杂交种子混合,令收割成本上升。

经过近十年不断研究,生物系讲座教授张建华教授带领的研究团队,在水稻田种植过程中,从一个优质的水稻品种发现「自发性温敏雌性不育1」(TFS1)基因突变。在正常或高温下(即高于25°C),该基因突变会令水稻呈现雌性不育,而在低温(即23°C)下则恢复部份育性。这个基因突变没有令水稻的生长出现异常,并可产生雄性育性正常的健康花粉。育性正常的水稻接受了带有TFS1基因突变的水稻花粉后,可结出正常的种子。

团队运用基因克隆(gene cloning)及分子技术进行一系列基因分析,发现雌性不育基因突变,是由一个出现在基因区域Argonaute7(AGO7)的点突变所产生,而AGO7是Argonaute(AGO)蛋白复合体之一。

收割成本减低商用潜力大

为评估TFS1作为杂交水稻制种基因工具的潜力,团队在香港及湖南省进行种植实验,透过基因渗入及基因编辑的方法,把TFS1突变基因导入三个水稻品种,培植出温敏雌性不育种质的水稻,用作提供花粉的「恢复系」。另外三种雄性不育的水稻品种则用作「雄性不育系」。

团队把「恢复系」按传统杂交制种的做法种植于「雄性不育系」旁,或把它们随机混合在农田上种植。在香港,两个种植方案均可以在超过三成的「雄性不育系」水稻花穗收成杂交种子,湖南省则有超过四成。这个种子收成比例,与沿用现有「恢复系」的杂交制种收成比例相若,却无须于收割杂交种子前移除「恢复系」。

张教授指出︰「现时杂交水稻制种在农业生产上仍然是人力成本高昂的技术。如能够引入雌性不育作为纯粹提供花粉的『恢复系』,很可能会减少成本,因为杂交水稻的父系及母系能一起种植及使用机械收割,无须担心种子的纯度。」

他表示:「我们的研究结果为杂交水稻制种全面机械化创造条件,拥有庞大的商用潜力。为获得最高的水稻收成,我们需进一步进行大规模的种植实验,以改善雌性不育与雄性不育两系之间的繁殖效率。」

除了浸大的研究人员,研究团队亦包括湖南农业大学、广东省农业科学院、加州大学戴维斯分校及日本国家农业与食品研究机构的科学家。