水稻的“愛情開關”：溫度如何決定秈稻和粳稻的“婚配”成敗？

你或許不知道，中國兩大主糧水稻——秈稻和粳稻，就像兩個“世仇家族”的成員，雖然同屬世家，卻偏偏“基因不合”，很難生育后代。

這個困擾農業(yè)界幾十年的難題，最近被破解了！華南農業(yè)大學陳樂天/劉耀光院士團隊發(fā)現了秈粳雜種不育的“溫度開關”，這一新發(fā)現發(fā)表在國際頂級期刊Molecular Plant，更有望讓雜交水稻產量再上一個臺階。

為什么秈稻和粳稻“八字不合”？

故事要從水稻的“愛情基因”說起。研究團隊早就發(fā)現，水稻1號染色體上有個叫Sa的“婚姻基因座”，它像個嚴格的“婚配審查官”，掌握著花粉的生死大權。

這個基因座里有三個關鍵角色：

• SaF+和SaM+：一對“殺手組合”，專門干掉不喜歡的花粉
• SaFL+：強力“保鏢”，能保護花粉免遭毒手

在秈稻（熱帶水稻）中，強力“保鏢”SaFL+能抑制殺手復合體SaF+和SaM+的毒害作用，所以免遭毒手；在粳稻（溫帶水稻）中，SaFL-是個“弱雞保鏢”，而SaF-和SaM-喪失了殺手功能，所以不會被害。當兩者雜交，殺手組合在低溫下大殺四方，導致攜帶“弱雞保鏢”的花粉死亡，使得雜種花粉存活率下降到54.9%。

溫度：意外的“和事佬”

研究團隊意外發(fā)現，夏天的高溫竟然能讓這對“冤家”和解！

在廣州的早季種植（28-33°C），雜交水稻花粉存活率從54.9%飆升到76.5%；在人工氣候箱里32°C培養(yǎng)，存活率更是高達84%！就像給這對“小夫妻”開了暖氣，彼此感情得到升溫，夫妻矛盾得以緩和。

這背后的機制很精妙：

1. 低溫時：SaF+ 和SaM + 結合成“殺手團伙”，像臺精密粉碎機，把線粒體里的ROS“清道夫”蛋白COX11降解掉

2. 結果：活性氧（ROS）爆發(fā)，花粉被“毒死”

3. 高溫時：“弱雞保鏢”SaFL- 雖然弱，但在高溫時能勉強搶占SaM + ，離間殺手團伙

4. 結果：COX11得以行使ROS清除功能，花粉活下來

進化的智慧：緯度的印記

這個“溫度開關”不是偶然，而是水稻適應環(huán)境的進化杰作！

研究團隊分析了2496份水稻樣本，發(fā)現：

• G1型（無殺手+弱保鏢）：入主高緯度溫帶，成為粳稻主流
• G4型（強殺手+強保鏢）：雄霸低緯度（亞）熱帶，成為秈稻主流
• G2型（強殺手+弱保鏢）：最慘！只能呆在熱帶，稍微往北遷移就絕后

數據表明，Sa基因座的變異與水稻從熱帶向溫帶的擴張路線完美吻合。這就像是進化給水稻裝了個“緯度感應器”，讓不同品種在適合自己的溫度帶安居樂業(yè)，也無意中造成了秈粳亞種間的生殖隔離。

未來：雜交水稻的新希望

這項發(fā)現不僅是理論突破，更是育種實踐的“及時雨”！

三大應用方向：

1. 破除雜交障礙：定向破壞強殺手SaF+ 或SaM + 能幫助消除秈粳雜交不育。

2. 新型不育系：利用G2型材料的“高溫可育、低溫不育”特性，研發(fā)反溫敏不育系，創(chuàng)制新型兩系雜交制種體系，實現全年周期制種。

3. 適應氣候變化：在全球變暖背景下，這個溫度敏感系統(tǒng)可幫助水稻更好適應新環(huán)境。

Sa在水稻亞種間分化及其介導的雜種不育的機制模型

華南農業(yè)大學博士后李構思和張雅玲（現為中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心助理研究員）為該論文的共同第一作者，陳樂天教授和劉耀光院士為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金重點項目和廣東省“十四五”農業(yè)科技創(chuàng)新十大重點攻關揭榜掛帥項目、廣東省振興種子產業(yè)項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的資助。

陳樂天/劉耀光團隊

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.12.008