Nature Plants | 云南省农业科学院陶大云/中国农科院商连光揭示水稻生殖隔离的“扭曲-恢复”系统解开种间杂交不育之谜
生殖隔离是物种形成和维持生物多样性的基础，也是物种间基因交流的天然屏障。在植物中，杂种不育作为合子后生殖隔离的主要形式，通过消除或降低杂种后代的适应性，阻止不同种群的基因渗透。水稻作为重要的粮食作物，亚洲栽培稻与非洲长雄野生稻之间的杂种不育现象严重阻碍了野生稻优异基因的利用和杂种优势潜力的挖掘。尽管已鉴定出15个杂种不育位点，但这些位点调控生殖隔离强度变异的分子机制仍不清楚，成为困扰作物遗传育种界的科学难题。
近日，云南省农业科学院粮食作物研究所陶大云团队联合中国农业科学院农业基因组研究所商连光等人在《Nature Plants》发表了题为《A distorter-restorer system drives quantitative reproductive isolation in rice》的研究论文，首次在水稻中解析了一个包含四个紧密连锁元件的“扭曲-恢复”系统S44位点，阐明了其调控非洲长雄野生稻与亚洲栽培稻杂种雄性不育和分离扭曲的分子机制。
研究人员首先通过构建近等基因系，将S44位点精细定位到29.4 kb的区域内。序列分析发现，来自长雄野生稻的近等基因系在该区域包含三个基因ORF1/RIA、ORF2/RID和ORF3/RIR，而栽培稻RD23相应区域仅有一个基因ORF1/RIS。细胞学观察表明，杂种F1花粉败育主要表现为淀粉积累不足、花粉壁异常增厚和线粒体结构异常，为后续功能研究奠定了细胞学基础。
通过CRISPR基因编辑和遗传互补实验，研究人员系统解析了这四个基因的功能。RID作为扭曲因子，特异性消除携带栽培稻RD23等位基因的花粉；RIR作为恢复因子，通过选择性保护长雄野生稻配子，使其等位基因优先传递给后代。有趣的是，单独导入RID并不能引起花粉败育，必须依赖RIA的激活才能发挥杀配子效应，而RIS则作为抑制因子精细调控分离扭曲的强度。
深入的分子机制研究表明，RIR作为F-box蛋白，能够与RID直接相互作用，通过泛素-蛋白酶体途径介导RID的降解。同时，RID可以结合RIS和RIA的启动子，但仅抑制RIS的表达而不影响RIA。亚细胞定位显示RIS和RIA定位于线粒体，RID分布于细胞核和质膜，RIR则特异性定位于细胞核。RIS或RIA的功能缺失会导致活性氧爆发提前、NAD+/NADH比率降低和ATP含量下降，表明线粒体功能受损是花粉败育的重要原因。
进化分析显示，S44位点呈现出明显的地理结构和物种特异性分化。对416份AA基因组水稻材料的分析表明，RIS/RIA在所有材料中保守存在，而RID和RIR则呈现谱系特异性分布。非洲野生稻（包括长雄野生稻、短舌野生稻和非洲栽培稻）保留功能型RID和RIR；亚洲栽培稻主要携带RID缺失型或功能缺失型等位基因。特别值得注意的是，在粳稻品种滇粳优1号中发现了一个天然广亲和型单倍型，其截短的RID失去了扭曲因子活性，而RIR功能完好，使该品种与不同单倍型杂交时均表现正常可育。
为定量评估S44位点介导的生殖隔离强度，研究人员创新性地提出了复合生殖隔离指数，综合评估杂种育性和配子选择压力。分析表明，长雄野生稻与非洲栽培稻的生殖隔离最强（CRII=0.73），与普通野生稻次之（CRII=0.70），与短舌野生稻较弱（CRII=0.65），而与栽培稻滇粳优1号（CRII=0.08）和尼瓦拉野生稻（CRII=0.09）几乎没有生殖隔离。这一梯度性的生殖隔离强度揭示了单个位点的等位基因冲突如何驱动种间生殖隔离的定量变异。
令人振奋的是，通过CRISPR技术敲除扭曲因子RID，可以完全打破S44位点介导的生殖隔离，所有杂交组合的复合生殖隔离指数均趋近于零。这一发现为克服水稻种间杂交不育提供了精准的基因编辑靶点，有望革命性地改变远缘杂交育种策略，促进非洲长雄野生稻中多年生习性、生物和非生物抗性等优异基因向亚洲栽培稻的高效转移。
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