水稻秈粳亞種間雜種優勢利用，及雜交種 F1 不育的分子機制
稻米是我國 13億人口的主糧, 是關乎國計民生的重要物質。我國的水稻育種經歷了矮化育種、 雜種優勢利用和綠色超級稻培育 3 次飛躍，其間伴隨矮化育種（第一次綠色革命）、三系雜交稻培育、二系雜交稻培育、亞種間雜種優勢利用、理想株型育種和綠色超級稻培育等 6 個重要歷程。
雄性不育株的發現和利用是雜交水稻的重要基礎。因此，雄性不育多樣性是保障雜交水稻種質多樣性的有效途徑，防止種質單一性而帶來的生產風險。本專題將對我國水稻雜種優勢利用、水稻細胞質雄性不育和光溫敏雄性核不育以及秈粳雜種不育的分子機制進行詳細闡述。
專題分四個部分：
鑫波和他的小魚乾：水稻雜種優勢與雄性不育系利用
鑫波和他的小魚乾：質核互作的水稻雄性不育分子機制
鑫波和他的小魚乾：光照/溫度敏感的水稻雄性不育分子機制
鑫波和他的小魚乾：水稻秈粳亞種間雜種優勢利用，及雜交種 F1 不育的分子機制
亞洲栽培稻分為秈稻和粳稻兩個亞種，秈粳亞種間的雜種優勢要遠大於秈粳亞種內的優勢。但由於自然界普遍存在的亞種之間生殖隔離法則，秈粳稻亞種間雜種育性下降，結實率很低。受此制約，長期以來，雜交水稻的育種工作基本限制在亞種內進行，亞種之間更加強大的雜種優勢難以得到利用。
後來，科學家發現存在著能突破生殖隔離的水稻資源，被稱為廣親和品種。廣親和材料的發掘以及秈粳雜種不育基因的克隆和應用是有效解決秈粳雜種不育的根本出路。Ikehashi 和 Araki 提出廣親和基因的遺傳模型，即廣親和的 S5n 等位基因型、秈稻的 S5i 等位基因型和粳稻的 S5j 等位基因型，廣親和的 S5n 無論是與秈稻還是粳稻雜交均可育。
1. 廣親和基因S5的克隆
張啟發課題組2008 年在 PNAS 發表題為「A triallelic system of S5 is a major regulator of the reproductive barrier and compatibility of indica-japonica hybrids in rice」的文章，成功克隆了S5位點的5號基因。然而，僅5號基因的作用無法解釋該位點引起雜種不育的機理。
2. S5位點影響秈粳雜種半不育分子機制的揭示
張啟發課題組2012年在 Science 發表題為「A killer-protector system regulates both hybrid sterility and segregation distortion in rice」的文章，表明3 個緊密連鎖的基因——ORF3、ORF4 和 ORF5 協同作用控制雜種不育及廣親和現象。
原來，S5 位點有 3 個緊密連鎖的基因——ORF3、ORF4 和 ORF5，其中 ORF5 和 ORF4 分別扮演了「殺手（ killer） 」和「幫兇（ partner） 」的角色，有功能的ORF4+ORF5+ 基因一起，引起內質網逆境，共同作用殺死配子。而 ORF3 起到了「保鏢（ protector）」的角色，對內質網逆境有清除作用。
典型的秈稻基因型為 ORF3+ORF4–ORF5+，典型的粳稻基因型為 ORF3-ORF4+ORF5-，而廣親和品種含有 ORF5n。 ORF4 和 ORF5 為孢子體型作用方式（ORF4 和 ORF5 對所有的配子都能發揮作用），ORF3 為配子體型作用方式（只對含有該基因的配子起作用）。
秈粳雜種 F1 雌配子形成過程中，由於秈粳交產生的雜合的ORF3+ORF3- 會分離，秈型配子由於ORF3+ 的存在，可以為其正常發育提供保護，而粳型配子攜帶的 ORF3- 不能有效防止ORF4+ORF5+ 的殺傷，從而導致敗育。因此，普通的秈粳雜種F1往往表現為半不育，而廣親和品種中 S5n 等位基因沒有殺配子的功能，故而與秈、粳稻均能產生正常可育雜種。
3. Sa 控制秈粳雜種F1雄配子不育的分子機制
劉耀光課題組2008年在 PNAS 發表題為「Hybrid male sterility in rice controlled by interaction between divergent alleles of two adjacent genes.」揭示了 Sa 控制秈粳雜種F1雄配子不育的分子機制。Sa 是一個控制雜種雄配子不育基因座，由兩個緊密連鎖的基因 SaM 和 SaF 組成，分別編碼泛素修飾 E3 連接酶和 F-box 蛋白。
大多數的秈稻攜帶 SaM+SaF+基因型，粳稻攜帶SaMˉSaFˉ 基因型，SaMˉ 內含子中一個 SNP 的改變導致剪接模式的改變，從而造成 SaMˉ 蛋白翻譯提前終止。
秈梗雜種 F1 中存在 SaM+ 的前提下，SaF+ 能與 SaMˉ 互作，導致 SaMˉ 基因型花粉敗育，稱為「兩基因/三元件」互作模型。因為 SaM+ 多出一個自我抑制結構域，阻止SaF 和SaM+互作，SaF 不能與 SaM+互作。
4. Sc 控制秈粳雜種不育的分子機制
劉耀光課題組2017年在 Nature Communication 發表題為「Genomic structural variation-mediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice.」的文章，揭示了Sc座位控制秈粳雜種不育分子機制。
序列分析發現，秈稻和粳稻Sc等位基因結構發生了很大變異。
其中，粳型等位基因座Sc-j僅包含一個花粉發育必需基因，而秈型基因座Sc-i存在序列重組和大片段基因拷貝數重複；重複拷貝的數目越多，秈粳雜種不育程度越嚴重。進一步研究還發現秈粳雜種F1中Sc等位基因的遺傳互作會導致粳型Sc-j基因表達水平的大幅度下降，造成攜帶Sc-j的花粉選擇性敗育。
該研究揭示了一種基於等位基因劑量效應驅動的選擇性基因沉默即稱為等位抑制（allelic suppression）的新型雜種不育分子機制。該研究同時建立了一種高效的基於CRISPR/Cas9基因編輯技術定點刪除部分基因拷貝，以打破雜種不親和性的技術方法。
5. S21 位點的自私基因控制秈粳雜種不育
萬建民課題組2018年在 Science 發表題為「A selfish genetic element confers non-Mendelian inheritance in rice」的文章。該研究以亞洲栽培稻滇粳優1號和南方野生稻為研究材料，克隆了雜種雄性不育位點 qHMS7（S21）。
該位點也包含3個開放閱讀框ORF1、ORF2 以及ORF3，在「祖先野生稻-普通野生稻-亞洲栽培稻」的演化過程中，ORF1 沒有功能，但一直被保留；ORF2 是從沒有毒性功能的單倍型逐步演變成有毒性功能的單倍型，編碼一個毒性蛋白（核糖體失活蛋白），對全部花粉的發育有毒害，以孢子體方式發揮作用；而ORF3 在普通野生稻中由ORF1 複製而產生，並在隨後的稻種馴化過程中傳遞到亞洲栽培稻，編碼含線粒體信號肽的禾本科特異蛋白。
滇粳優 1 號攜帶有功能的 ORF2D ORF3D，而南方野生稻（O. meridionalis）只攜帶一個無功能的 ORF2N，完全缺失 ORF3。ORF2D 是一個毒性蛋白，ORF3D 是一個解毒蛋白，以配子體方式發揮作用。雜合（ ORF2D ORF3D/ORF2N-） 條件下，ORF2D 蛋白能殺死不攜帶 ORF3D 基因的花粉。因此，只有攜帶 ORF2DORF3D 基因型的花粉能遺傳到後代，稱為自私基因 。
ORF3「選擇性」地保護攜帶它的花粉，確保其可育，非常「自私」。不攜帶ORF3 的花粉不能發育成正常可育花粉而敗育。普通野生稻中，約50%的材料含有ORF3，經長期演化，栽培稻中 90%以上都含有ORF3。
6. S27/S28 互作控制秈粳雜種不育
日本學者2010年在 PNAS 發表題為「Mitochondrial gene in the nuclear genome induces reproductive barrier in rice.」的文章，揭示了兩個雜種不育位點 S27 和 S28 通過上位性互作控制秈粳雜種不育。
圖位克隆發現 S27 和S28 是重複基因，編碼線粒體核糖體蛋白 L27。在栽培稻臺中65（Taichung 65）中，S27 有功能（T+T+）而 S28 無功能（TSTS），基因型為 T+T+ |TSTS；在展穎野生稻（O. glumaepatula）中，S27 無功能（GSGS）而 S28 有功能（G+G+），基因型為 GSGS |G+G+。後代中基因型為GS |TS 的花粉敗育。
參考文獻
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