浸大领导研发「雌性不育」技术 提升杂交水稻制种效率

一项由香港浸会大学（浸大）领导的研究，透过开创雌性不育技术，为杂交水稻的制种过程带来突破。相比生产杂交水稻种子常用的雄性不育技术「三系法」，该崭新的技术不会产生「恢复系」自花授粉所孕育的水稻种子，从而提升杂交水稻种植的效率。新技术可实现以机器全面自动化收割杂交种子，令制种成本大幅降低。

研究结果已於近期刊登在尖端国际科学期刊《Cell Research》。

雄性不育技术收割成本高昂

自花授粉植物能维持基因组合的纯合性，其后代会一直维持相同的特徵。远亲杂交令基因组合出现杂合性，有助植物优生茁壮，这是自花授粉植物没有的杂种优势。在自然界，水稻通常是自花授粉繁殖，但过去数十年，在「杂交水稻之父」袁隆平教授的启导下，科学家运用雄性不育基因开发杂交水稻制种的技术，大量生产能够正常自花授粉的杂交水稻种子。这种雄性不育技术在中国以至全世界，已被广泛用於杂交水稻制种，令水稻产量大幅提升。

雄性不育技术以「雄性不育系」的水稻品种作花粉受体。育性正常的「恢复系」水稻品种则作为花粉供体，栽种於「雄性不育系」水稻旁，以传播花粉进行杂交。然而，「恢复系」水稻同样会透过自花授粉结出种子，因此在使用机器收割前，须先以人手移除「恢复系」的自交种子，以免与杂交种子混合，令收割成本上升。在理论上，雌性不育的水稻因不会产生自交种子，所以是最理想的「恢复系」水稻。然而雌性不育的水稻种质在自然界极之罕见，亦难以自行繁殖，因此这方法一直未能实现。

TFS1突变致雌性不育

经过近十年不断研究，浸大生物系讲座教授张建华教授带领的研究团队，在水稻田种植过程中，从一个优质的水稻品种发现「自发性温敏雌性不育1」（TFS1）基因突变。在正常或高温下（即高於25°C），该基因突变会令水稻呈现雌性不育，而在低温（即23°C）下则恢复部份育性。这个基因突变没有令水稻的生长出现异常。

团队观察到出现TFS1基因突变的水稻，可产生雄性育性正常的健康花粉。育性正常的水稻接受了带有TFS1基因突变的水稻花粉后，可结出正常的种子。研究进一步显示，在正常或高温下，当花粉在带有TFS1基因突变的水稻的柱头上萌发后，它们长出的花粉管未能进入胚囊，故未能产生胚胎并结出种子。但在低温下，育性及产生胚胎的能力可部分获得恢复。

团队运用基因克隆（gene cloning）及分子技术进行一系列基因分析，发现雌性不育基因突变，是由一个出现在基因区域Argonaute7（AGO7）的点突变所产生。AGO7属於一种Argonaute（AGO）蛋白复合体，负责制造小分子干扰核糖核酸tasiR-ARFs。tasiR-ARFs的下游调控能控制花粉管进入胚囊，但在正常或高温下，此调控机制在带有TFS1基因突变的水稻中失效，因而无法完成双受精过程。

收割前无须移除「恢复系」

为评估TFS1作为杂交水稻制种基因工具的潜力，团队在香港及湖南省进行种植实验。团队透过基因渗入及基因编辑的方法，把TFS1突变基因导入三个水稻品种，培植出温敏雌性不育种质的水稻，用作提供花粉的「恢复系」。另外三种雄性不育的水稻品种则用作「雄性不育系」。

团队把「恢复系」按传统杂交制种的做法种植於「雄性不育系」旁，或把它们随机混合在农田上种植。在香港，两个种植方案均可以在超过三成的「雄性不育系」水稻花穗收成杂交种子，湖南省则有超过四成。这个种子收成比例，与沿用现有「恢复系」的杂交制种收成比例相若，但无须於收割杂交种子前移除「恢复系」。