新聞稿

浸大領導研發「雌性不育」技術 提升雜交水稻製種效率

星期四，2022年12月1日

一項由香港浸會大學（浸大）領導的研究，透過開創雌性不育技術，為雜交水稻的製種過程帶來突破。相比生產雜交水稻種子常用的雄性不育技術「三系法」，該嶄新的技術不會產生「恢復系」自花授粉所孕育的水稻種子，從而提升雜交水稻種植的效率。新技術可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》。

雄性不育技術收割成本高昂

自花授粉植物能維持基因組合的純合性，其後代會一直維持相同的特徵。遠親雜交令基因組合出現雜合性，有助植物優生茁壯，這是自花授粉植物沒有的雜種優勢。在自然界，水稻通常是自花授粉繁殖，但過去數十年，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，大量生產能夠正常自花授粉的雜交水稻種子。這種雄性不育技術在中國以至全世界，已被廣泛用於雜交水稻製種，令水稻產量大幅提升。

雄性不育技術以「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」水稻同樣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。在理論上，雌性不育的水稻因不會產生自交種子，所以是最理想的「恢復系」水稻。然而雌性不育的水稻種質在自然界極之罕見，亦難以自行繁殖，因此這方法一直未能實現。

TFS1突變致雌性不育

經過近十年不斷研究，浸大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。

團隊觀察到出現TFS1基因突變的水稻，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。研究進一步顯示，在正常或高溫下，當花粉在帶有TFS1基因突變的水稻的柱頭上萌發後，它們長出的花粉管未能進入胚囊，故未能產生胚胎並結出種子。但在低溫下，育性及產生胚胎的能力可部分獲得恢復。

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。AGO7屬於一種Argonaute（AGO）蛋白複合體，負責製造小分子干擾核糖核酸tasiR-ARFs。tasiR-ARFs的下游調控能控制花粉管進入胚囊，但在正常或高溫下，此調控機制在帶有TFS1基因突變的水稻中失效，因而無法完成雙受精過程。

收割前無須移除「恢復系」

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。團隊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，但無須於收割雜交種子前移除「恢復系」。

收割成本減低商用潛力大

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。」

張教授說：「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，應投放更多努力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。

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