水稻是世界最重要的粮食作物之一，养育着全球半数以上的人口，因此提高水稻产量对解决粮食危机至关重要，其中作物杂种优势的利用则是进一步提高粮食产量的重要途径之一。自上世纪七十年代以来，袁隆平院士等科技工作者研发的杂交水稻大幅提高了水稻产量，带来了第二次“绿色革命”，为我国乃至世界的粮食安全做出了重要贡献。稻属由23个种组成，其中栽培水稻分为亚洲栽培稻（O.sativa）和非洲栽培稻（O.glaberrima）两个种，其余均为野生稻。亚非稻种间具有强大的杂种优势，但是种间生殖隔离的存在却导致杂种的产量优势无法得到充分利用，因此如何利用亚非稻种间超强的杂种优势一直以来是育种家们努力的目标。

2024年2月2日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣院士研究组和韩斌院士研究组合作在国际综合学术期刊Nature Communications在线发表了题为“Dysfunction of duplicated pair rice histone acetyltransferases causes segregation distortion and an interspecific reproductive barrier”的研究论文。该成果不仅成功分离并克隆了控制亚非稻种间杂种衰退的基因，同时揭示了一种全新的控制水稻种间杂种衰退的分子机制，为利用种间杂种优势、培育高产品种提供了相应的理论基础和技术支撑。

研究团队通过大规模群体筛选结合正向遗传学的方法成功鉴定到了一对控制亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间生殖隔离的基因HWS1、HWS2。表达量分析、CRISPR-Cas9介导的基因敲除实验以及泛基因组数据分析结果表明，HWS1表达量失活及HWS2基因的缺失最终导致杂种衰退表型的形成而产生生殖隔离。研究发现，HWS1/2控制水稻雌/雄配子体不育，并且该不育表型与花药中绒毡层的延迟降解所导致的花粉粒发育畸形以及胚囊发育后期极核的异常分布相关。HWS1/2为一对高度保守、复制形式的同源基因，编码Esa1相关因子6 （EAF6）蛋白。该蛋白作为组蛋白H4乙酰转移酶复合体的特征亚基，通过全基因组水平组蛋白修饰调节下游育性相关基因的转录活性。酶活性测定以及组蛋白H2A、H3和H4 N末端不同修饰位点鉴定结果证明HWS1/2具有组蛋白H2A和H4乙酰转移酶活性。RNA-seq结合ChIP-seq的多组学分析结果表明，HWS1/2共同调控下游脂质合成与生物素合成相关信号通路，从而影响杂种个体的配子体发育。进化分析表明，水稻中的HWS1基因由其直系祖先演化而来，而HWS2仅存在于亚洲稻中并且由HWS1通过基因复制而来。在非洲稻物种演化过程中，HWS1直接固定并形成非洲稻基因池，而在亚洲稻中由于存在非完全谱系分选事件（ILS），并经历了遗传瓶颈效应与奠基者效应，最终形成三种单倍型（Class Ⅰ-Ⅲ）。这三种单倍型在不同的水稻品种中表现出差异化分布：在籼稻群体中绝大部分水稻品种呈HWS1/2双基因功能正常类型（Class Ⅰ单倍型），粳稻群体中则主要表现为HWS1基因表达失活，HWS2基因功能正常类型（Class Ⅲ 单倍型），而所有的非洲稻则是HWS1功能正常、HWS2基因缺失类型（Class Ⅱ 单倍型）。当通过人工远缘杂交将两种不相容的单倍型（Class ⅠII和Class Ⅱ）融合时，在F2及之后世代中出现的HWS1基因表达失活并且HWS2基因缺失的子代个体，最终表现出杂种衰退的表型。过量表达HWS2基因，在T1代转基因植株中没有出现明显的生长缺陷及育性变化，这表明HWS基因拷贝数的增加并不会对植物产生不良影响。在实际杂交育种实践中可以通过人为增加HWS1/2基因的拷贝数，以避免在杂交后代中出现HWS基因丢失/不表达的情况所导致的杂种不育现象。例如，在粳稻品种中过量表达HWS1基因，或者在非洲稻品种中过量表达HWS2基因，从而在粳稻与非洲稻杂交的子代中回补HWS1/2基因的表达，达到克服远缘杂交不亲和障碍的目的。另外，利用泛基因组数据，可以用于指导远缘水稻种间/亚种内杂交亲本的选配以及广亲和性材料的选育。

综上所述，该研究揭示了一对重复隐性基因控制亚非稻种间生殖隔离的分子遗传机制，丰富了对杂种不亲和性的理解，加深了对表观遗传调控控制种间杂种衰退分子机制的认识，并提出了通过增加HWS基因拷贝数以克服亚非稻种间生殖隔离的技术方法。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究组博士生廖奔、已毕业博士生项友煌，以及韩斌研究组高级工程师李艳博士为该论文共同第一作者，林鸿宣院士和韩斌院士为论文通讯作者。该中心林鸿宣研究组正高级工程师单军祥博士、高级实验师叶汪薇博士、副研究员董乃乾博士和博士生杨开洋等，以及韩斌研究组研究员赵强博士、高级工程师赵研博士和博士生郭东灵等也参与了该项工作。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、岭南现代农业广东省实验室等的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45377-x

论文DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45377-x

HWS1/2功能失活导致种间杂种衰退表型的形成

HWS1、HWS2协同调控亚非稻种间杂种衰退的分子机制示意图模型