浸大通訊

新技術為雜交水稻製種過程帶來突破

2022年12月1日

過去數十年，在「雜交水稻之父」袁隆平教授的啟導下，科學家運用雄性不育基因開發雜交水稻製種的技術，令全球水稻產量大幅提升。由浸大領導的研究團隊，開創雌性不育技術，可提升雜交水稻種植的效率，實現以機器全面自動化收割雜交種子，令製種成本大幅降低。研究結果已於近期刊登在尖端國際科學期刊《Cell Research》。

基因突變致雌性不育

生產雜交水稻種子常用技術以「雄性不育系」的水稻品種作花粉受體，育性正常的「恢復系」水稻品種則作為花粉供體，栽種於「雄性不育系」水稻旁，以傳播花粉進行雜交。然而，「恢復系」水稻會透過自花授粉結出種子，因此在使用機器收割前，須先以人手移除「恢復系」的自交種子，以免與雜交種子混合，令收割成本上升。

經過近十年不斷研究，生物系講座教授張建華教授帶領的研究團隊，在水稻田種植過程中，從一個優質的水稻品種發現「自發性溫敏雌性不育1」（TFS1）基因突變。在正常或高溫下（即高於25°C），該基因突變會令水稻呈現雌性不育，而在低溫（即23°C）下則恢復部份育性。這個基因突變沒有令水稻的生長出現異常，並可產生雄性育性正常的健康花粉。育性正常的水稻接受了帶有TFS1基因突變的水稻花粉後，可結出正常的種子。

團隊運用基因克隆（gene cloning）及分子技術進行一系列基因分析，發現雌性不育基因突變，是由一個出現在基因區域Argonaute7（AGO7）的點突變所產生，而AGO7是Argonaute（AGO）蛋白複合體之一。

收割成本減低商用潛力大

為評估TFS1作為雜交水稻製種基因工具的潛力，團隊在香港及湖南省進行種植實驗，透過基因滲入及基因編輯的方法，把TFS1突變基因導入三個水稻品種，培植出溫敏雌性不育種質的水稻，用作提供花粉的「恢復系」。另外三種雄性不育的水稻品種則用作「雄性不育系」。

團隊把「恢復系」按傳統雜交製種的做法種植於「雄性不育系」旁，或把它們隨機混合在農田上種植。在香港，兩個種植方案均可以在超過三成的「雄性不育系」水稻花穗收成雜交種子，湖南省則有超過四成。這個種子收成比例，與沿用現有「恢復系」的雜交製種收成比例相若，卻無須於收割雜交種子前移除「恢復系」。

張教授指出︰「現時雜交水稻製種在農業生產上仍然是人力成本高昂的技術。如能夠引入雌性不育作為純粹提供花粉的『恢復系』，很可能會減少成本，因為雜交水稻的父系及母系能一起種植及使用機械收割，無須擔心種子的純度。」

他表示：「我們的研究結果為雜交水稻製種全面機械化創造條件，擁有龐大的商用潛力。為獲得最高的水稻收成，我們需進一步進行大規模的種植實驗，以改善雌性不育與雄性不育兩系之間的繁殖效率。」

除了浸大的研究人員，研究團隊亦包括湖南農業大學、廣東省農業科學院、加州大學戴維斯分校及日本國家農業與食品研究機構的科學家。