华中农大欧阳亦聃综述：利用雄性不育发展杂交水稻的理论基础与研究进展

提高作物产量的一个关键策略是利用杂交优势。水稻是自花授粉作物，其杂交育种的成功在很大程度上依赖于雄性不育系的发掘和应用。雄性不育系对于杂交水稻的培育至关重要，是实现杂交水稻育种成功的核心要素之一。过去二十多年里，科学家们不断定位并克隆水稻雄性不育基因，逐步揭示了其育性调控的分子机制。

2024年11月，华中农业大学欧阳亦聃教授和蒋海潮副研究员的研究团队在《Seed Biology》杂志上发表了一篇名为“Exploiting male sterility toward the development of hybrid rice”的综述文章，总结了水稻雄性不育的遗传调控、分子机制和育种应用的最新研究进展。

目前，杂交水稻的生产主要基于两种雄性不育类型：细胞质雄性不育（CMS）和细胞核雄性不育（GMS）。CMS是一种由母系遗传的特性，由线粒体中的不育基因和细胞核中的恢复基因共同调控，形成了三系杂交稻系统。线粒体不育基因如orf79、orfH79、WA352和FA182等，大多源于线粒体基因组的重排，它们通过干扰线粒体电子传递链中的氧化还原反应，导致能量代谢异常，进而影响雄性生殖细胞的发育。已克隆的恢复基因中，包括Rf1a、Rf1b、Rf5、Rf6、Rf4、OsRf19和Rf20等，它们编码的线粒体定位蛋白含有PPR结构，通过与其他基因相互作用形成复合体，调节不育基因的转录本水平或蛋白质含量，从而恢复育性。而Rf2和Rf17这两个恢复基因不含有PPR结构；Rf2通过调节atp6-orf79的mRNA水平来恢复育性，而抑制Rf17的表达则可以恢复CMS-CW不育系的育性。

水稻细胞质雄性不育和细胞核雄性不育的遗传和机制模型

核基因控制的雄性不育现象分为隐性和显性两种类型。隐性核不育中，环境敏感型雄性不育具有特殊性，其育性可在特定环境条件下如光周期、温度或湿度等发生改变，使得双亲杂交系统成为可能。1973年发现的光周期敏感雄性核不育材料农垦58S标志着两系不育杂交水稻制种技术的起点，该材料在长日照下不育，适合作为杂交亲本；在短日照下恢复育性，适合自交繁殖。目前，已克隆出多个环境敏感型雄性不育基因，包括光敏不育基因pms1、pms3、csa2等，温敏不育基因tms5、ugp1等，以及湿敏不育基因ososc12/ospts1等。非编码RNA和RNA加工在调控这些环境敏感型雄性不育基因中扮演关键角色。在这些基因的调控下，pms1与pms3、csa与csa2以及tms10与tms10l共同影响光温敏雄性不育的表现。

显性核不育系是自然界中罕见的种质资源，其在杂合状态下即可展现稳定的不育性，与任何可育品种杂交得到的F1代中，可育株和不育株比例相等。不育株可用于杂交，而可育株可用于繁殖和研究。水稻中的显性核不育调控基因SDGMS/OsRIP1编码一个核糖体失活蛋白，通过抑制蛋白质翻译来调控显性雄性核不育。利用这些材料进行杂交育种和遗传研究，可以省去人工去雄步骤，节约资源，提高育种和研究效率。

该论文系统性地综述了水稻雄性不育的遗传和分子机制，以及其在杂交稻生产中的应用，为深入理解育性调控机制提供了理论基础，并为杂交水稻育种和生产提供了技术支持。

论文的共同通讯作者是华中农业大学和湖北洪山实验室的欧阳亦聃教授和蒋海潮副研究员，共同第一作者是蔡朝霞博士和徐聪昊博士。