陈乐天/谢勇尧课题组揭示杂交稻育种50年人工选择的分子基础

2023年11月14日，华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、生命科学学院陈乐天/谢勇尧课题组在Nature Communications（影响因子16.6）在线发表了题为Copy number variation of the restorer Rf4 underlies human selection of three-line hybrid rice breeding的研究论文。该论文阐明了Rf4座位在稻属起源、进化和拷贝数变异的规律，揭示了三系杂交稻应用过程中，CMS-WA/Rf4系统人工选育的分子基础，为培育强恢复系提供了新思路，为我国杂交稻的可持续发展提供了理论基础。

水稻细胞质雄性不育系和恢复系是实现三系杂交稻的重要遗传资源。Rf4是由我校刘耀光院士和陈乐天教授于2014年率先克隆的野败型细胞质雄性不育（CMS-WA）主效恢复基因，但Rf4在稻属中的演化规律以及CMS-WA/Rf系统的选育基础仍不清楚。陈乐天/谢勇尧课题组在后续研究中，发现Rf4座位存在拷贝数和序列变异。于是，进一步系统分析了720份水稻材料，其中栽培稻311份，农家种168份，野生稻241份，共鉴定出69种Rf4单倍型，从而总结出Rf4座位序列变异和拷贝数变异的规律；揭示Rf4座位在稻属进化过程中，在自然选择和人工选择作用下，Rf4座位新形成的单倍型逐渐迁移到O. rufipogon、O. nivara和O. sativa谱系，其中8种单倍型（H1-H8）最终被富集在现代栽培稻中。通过比较恢复基因Rf4与不育基因WA352c的进化关系，发现在野生稻中Rf4座位起源早于WA352c；并还原了杂交稻育种50年来，CMS-WA/Rf4系统人工选择的分子基础和选择路径。

研究还通过构建了不同拷贝数的敲除和互补材料，证实随着Rf4的拷贝数增加，不育基因WA352c的表达量随之降低，花粉育性和小穗结实率逐渐升高，表明Rf4拷贝数对CMS-WA的育性恢复具有剂量效应。通过调查发现，携带双拷贝功能性Rf4的单倍型（Rf4aM-Rf4bM，H1）三系品种在农业生产上的种植面积占主导地位（64%），远高于携带单拷贝Rf4（Rf4bM，H6；Rf4aI-rf4b，H7和rf4a-Rf4bM，H8）单倍型品种的种植面积（36%），表明育性强恢复能力是育种家选择优良恢复系的重要标准。

博士后赵哲和博士生丁智为该论文的共同第一作者，陈乐天教授和谢勇尧教授为共同通讯作者，刘耀光院士对该研究给予了指导。该研究得到了广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目、国家自然科学基金重点项目和广东省杰出青年项目等资助。

（亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室、生命科学学院 赵秀彩）

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