A pesquisa conduzida pela Universidade Batista de Hong Kong (HKBU) envolvendo o uso de uma técnica pioneira de esterilidade feminina levou a um avanço na produção de sementes de arroz híbrido. Em comparação com a técnica de esterilidade masculina de "três linhas" comumente usada na produção de sementes de arroz híbrido, a nova abordagem aumenta a eficiência da produção de arroz híbrido, eliminando as sementes de arroz que foram produzidas devido à autopolinização da "linha restauradora".

Esta nova técnica permite a colheita totalmente automática de sementes híbridas por máquinas, o que pode reduzir substancialmente os custos de colheita. Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente na Cell Research .

Plantas autopolinizadoras são conhecidas por manter a homozigose de seu genoma e, como resultado, seus descendentes podem ter as mesmas características ao longo de gerações.

A heterose, que se refere ao aumento da taxa de crescimento devido à heterozigosidade do genoma como resultado da hibridação de pais distantes, é difícil de explorar com plantas autopolinizadoras. Na natureza, o arroz geralmente é criado por autopolinização.

No entanto, ao longo das últimas décadas, os cientistas - seguindo o trabalho pioneiro do professor Yuan Longping, o "Pai do Arroz Híbrido" - desenvolveram técnicas de cultivo de arroz híbrido explorando genes masculinos estéreis, e essas técnicas podem produzir sementes híbridas com os normalmente auto-suficientes. polinizando plantas de arroz em grandes quantidades. A China e outros países ao redor do mundo usaram extensivamente a técnica de esterilidade masculina para produzir sementes de arroz híbrido, e isso levou a um aumento substancial na produção de arroz.

A técnica de esterilidade masculina primeiro cria cultivares, ou seja, variedades de plantas, da "linha masculina estéril" de arroz como pólen receptores. As cultivares de arroz da "linha restauradora" com fertilidade normal atuam como doadoras de pólen e são cultivadas próximas à "linha masculina estéril" para facilitar a transferência de pólen para hibridização. No entanto, as sementes autopolinizadoras também podem ser produzidas pela "linha restauradora" e devem ser retiradas manualmente para evitar que se misturem com as sementes híbridas antes da colheita mecanizada, resultando em altos custos de colheita.

Em teoria, usar arroz feminino estéril como "linha restauradora" é ideal porque não pode produzir sementes autopolinizadas. No entanto, esta abordagem não foi adotada porque o germoplasma de arroz feminino estéril permanece extremamente raro na natureza e as plantas femininas estéreis têm dificuldade em se auto-reproduzir.

Após quase uma década de estudos em andamento, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Zhang Jianhua, professor titular do Departamento de Biologia da HKBU, conseguiu identificar uma mutação genética "espontânea termossensível da esterilidade feminina 1" (TFS1) em um arroz de elite cultivar durante a produção de arrozais. Esta mutação genética exibe esterilidade feminina sob condições de temperatura regular ou alta (ou seja, acima de 25°C), e a fertilidade é parcialmente retomada em condições de baixa temperatura (ou seja, 23°C). Não apresenta defeitos quanto ao seu crescimento vegetativo.

A equipe observou que o arroz com a mutação do gene TFS1 pode produzir pólen saudável com fertilidade masculina normal. Arroz com fertilidade normal pode produzir sementes normais após receber o pólen do arroz com a mutação do gene TFS1. Investigações posteriores revelaram que, em condições normais ou de alta temperatura, depois que o pólen pousou no estigma do arroz com a mutação do gene TFS1, os tubos polínicos que cresceram a partir do pólen não podem entrar no saco embrionário. Os embriões, portanto, não conseguem se desenvolver e as sementes não podem ser produzidas. Mas sob condições de baixa temperatura, a capacidade de fertilizar e desenvolver embriões é parcialmente recuperada.

Após análise genética usando clonagem de genes e técnicas moleculares, a equipe descobriu que a mutação da esterilidade feminina é criada por uma mutação pontual na região gênica de Argonaute7 (AGO7), um membro do complexo proteico Argonaute (AGO) responsável pela produção de muitos pequenos RNAs interferentes, ou seja, tasiR-ARFs. A regulação a jusante desses tasiR-ARFs regula a entrada do tubo polínico no saco embrionário, mas falhou em condições regulares ou de alta temperatura no arroz com mutação TFS1 e, portanto, fertilizações duplas não podem ser alcançadas.

Para avaliar o potencial do uso do TFS1 como ferramenta genética para a produção de arroz híbrido, a equipe realizou testes de campo em Hong Kong e na província de Hunan, na China continental. A mutação do gene TFS1 foi introduzida em três cultivares de arroz por introgressão e edição do genoma para criar os germoplasmas com esterilidade feminina termossensível. Eles atuaram como "linhas restauradoras" para a doação de pólen. Outras três cultivares de arroz com esterilidade masculina foram usadas como "linhagens masculinas estéreis".

A equipe plantou as "linhas restauradoras" separadamente ao lado das "linhagens masculinas estéreis" como na reprodução híbrida tradicional, ou as misturou aleatoriamente na fazenda durante o plantio. Em ambos os arranjos de plantio, mais de 30% das panículas das "linhas masculinas estéreis" em Hong Kong e 40% na província de Hunan produziram sementes híbridas. A proporção de conjuntos de sementes é semelhante aos rendimentos da produção híbrida usando "linhas restauradoras" existentes, mas as sementes de arroz híbrido podem ser colhidas sem a remoção das "linhas restauradoras".

O professor Zhang disse: "Atualmente, a produção de sementes de arroz híbrido ainda é um processo de trabalho intensivo na agricultura. A esterilidade feminina , se puder ser introduzida em uma 'linha restauradora' como um doador de pólen puro, tem grande potencial para reduzir o custo, porque os pais masculino e feminino do arroz híbrido podem ser cultivados e colhidos juntos por máquinas sem se preocupar com a pureza das sementes.

"Nossas descobertas de pesquisa fornecem uma característica adequada para o cultivo de arroz híbrido totalmente mecanizado, e nossa ferramenta genética tem se mostrado uma grande promessa para aplicações comerciais . linhas."