水稻养活了全球超过一半的人口，在中国粮食安全版图中更是占据着不可替代的位置。亚洲栽培稻（Oryza sativa）与非洲栽培稻（Oryza glaberrima）是稻属中仅有的两个被人类驯化的栽培种。前者以其高产稳产和优良食味品质成为全球过半人口的主粮，后者则因兼具耐高温、耐干旱、耐贫瘠及多重生物逆境抗性而具有独特的育种价值。将二者的优异性状通过种间杂交加以整合，理论上可创制出产量潜力与适应性兼具的新品种。然而，亚洲稻和非洲稻虽然能够杂交，但这两个物种之间存在严重的种间生殖隔离，其杂种F₁花粉育性显著下降，结实率大幅降低，阻碍了优良基因的种间交流与杂种优势利用。解析这一隔离机制并寻求克服策略，是作物遗传育种领域长期未解的核心难题。
此前，万建民院士团队围绕“水稻杂种不育克服与杂种优势利用”开展系统研究，已发掘并报道了27个新不育位点及广亲和基因。此次发表在Science上的成果，聚焦于亚洲栽培稻与非洲栽培稻种间杂种不育的主效位点RHS3。该位点于2008年由团队首次鉴定，历经18年持续攻关，研究最终阐明了其介导生殖隔离的完整分子机制。
RHS3位于水稻第3号染色体，可选择性导致携带亚洲栽培稻等位基因的花粉败育，使杂种F₁呈现半不育表型。通过遗传精细定位、基因克隆及功能验证，研究团队发现该位点由三个开放阅读框——ORF4、ORF10和ORF16共同构成，三者编码的蛋白分别被形象地命名为“甲”（JIA）、“矛”（MAO）和“盾”（DUN），以示其功能分工。功能解析表明，ORF10编码的MAO蛋白定位于线粒体，能够破坏线粒体功能，对花粉发育产生毒性效应，是导致配子败育的直接“效应子”。ORF16编码的DUN蛋白则与MAO发生物理互作，可中和其毒性，起到保护配子的“解毒剂”作用。
植物细胞生物学曾咏伦团队利用超分辨成像、高压冷冻固定结合免疫电镜等先进细胞成像技术，发现ORF4编码的JIA蛋白，作为植物特有的选择性自噬受体，能够与DUN及MAO形成三元蛋白复合物，并通过自噬途径将MAO靶向降解，从而在雌配子中实现对毒性蛋白的特异性清除。“甲”（JIA）作为植物特异性选择性自噬受体的独特功能这一发现使RHS3位点的完整生殖隔离机制得以最终阐明，也是首次发现选择性自噬直接参与植物种间生殖隔离的调控，揭示了自噬机制在物种形成中的新功能。该研究首次确立了JIA作为植物选择性自噬全新受体，它通过AIM3基序结合ATG8e，以DUN为桥联因子，将MAO特异性募集至自噬体进行降解，从而实现雌配子的保护。不同于以往报道的水稻杂种不育两元件“毒素–解毒剂”系统，RHS3由“矛–盾–甲”三元件协同构成，其中“甲”介导的选择性自噬通路是此前未被认知的生殖隔离调控层面。这一发现将选择性自噬这一经典的细胞“废物清除”机制，与物种形成和生殖隔离这一宏观演化事件直接关联，在植物生殖生物学与自噬研究领域均具有里程碑意义。业内专家认为，该成果首次将选择性自噬与植物种间生殖隔离直接关联，在基础生物学和育种应用层面均具有重要价值。
植物多样性与特色经济作物全国重点实验室/广东省应用植物学重点实验室植物细胞生物学团队博后朱莹博士为论文的共同第一作者，团队负责人曾咏伦研究员参与指导细胞学机制的阐明。本研究得到中国科学院华南植物园公共实验室戴光义主任和邓汝芳博士的大力支持，中国科学院华南植物园先进植物细胞成像中心做出重要贡献。