優良多倍體水稻資源的創建與現有多倍體材料改良的方法及途徑

隗志松　舒園園

摘要 闡述了優良多倍體水稻資源的創建與現有多倍體材料改良的方法與途徑，主要包括對核心基礎材料HN2026和sg99012的優化改良、在二倍體層面的改良方法——創建優良多倍體水稻資源、基于四倍體層面的改良方法——定向改良、創建穩定優質的六倍體水稻資源等方面的內容，以期為水稻育種工作的開展提供參考。

關鍵詞 水稻；多倍體；資源創建；改良途徑

中圖分類號 S511.032 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）13-0025-02

縱觀水稻育種的發展歷程，其經歷了野生到栽培、高稈到矮稈、常規到雜交、三系到兩系、秈粳亞種間雜種優勢的利用（如甬優系列的三系秈粳交組合），其研究戰略都是建立在二倍體基礎上的。歸根到底，都是利用栽培稻同一基因組（A基因組）內優良基因的重組及從野生稻向栽培稻引入少數優良基因，很難達到增產50%的目標。因此，蔡得田等提出利用遠緣雜交和多倍體雙重優勢選育超級稻的育種新思路。蔡得田團隊經過10余年的不懈努力，率先解決了困擾多倍體水稻研究的結實率問題，并成功選育出2個具有減數分裂穩定性（PMeS）基因的材料HN2026和sg99012，筆者也有幸加入到了蔡得田教授的多倍體研發團隊。但目前創建的多倍體水稻材料唯一的不足就是抗性比較差，這樣就導致了距離生產應用還有一定的距離。因此，筆者基于育種經驗，并結合現代生物育種技術提出“優良多倍體水稻資源的創建與現有多倍體材料改良的方法與途徑”。

1 對核心基礎材料HN2026和sg99012的優化改良

根據田間觀察，HN2026和sg99012屬于粳型或偏粳型材料，以此為基礎材料與秈型水稻育種材料雜交可以有效利用亞種間的雜種優勢，這就符合了蔡得田等提出的利用遠緣雜交和多倍體雙重優勢選育超級稻的育種思路。但是HN2026和sg99012本身存在抗性差、易早衰、品質差等缺陷，其雜交后代也都較多地遺傳了這些缺點。因此，對HN2026和sg99012進行抗性及品質改良是創建優質多倍體水稻育種材料的必備工作。可以選定優質高抗的同種粳型材料為父本，分別以HN2026和sg99012為母本進行雜交和回交，并結合分子標記對HN2026和sg99012進行改良。對這2個核心材料的改良，有利于從源頭上解決和把控以此為基礎材料所創建的多倍體育種資源的抗性和品質問題。

2 基于二倍體層面的改良方法——創建優良多倍體水稻資源

首先確定2個優良的親本材料，如一個優質材料A，一個高抗材料B；再選用一個含PMeS基因的高結實材料P。先以A為母本，以高結實材料P為父本雜交得到F1（用A/P表示），此時F1中已導入PMeS基因。接著再用F1作母本與B雜交（A/P//B表示）得到F10，最后在田間種植F10，當F10生長發育到抽穗揚花時取其花粉進行花粉培養。

在對花粉培養產生愈傷組織時進行染色體組誘導加倍，使其被誘導加倍成二倍體愈傷組織；待二倍體愈傷組織稍作緩解后再對其進行染色體組加倍誘導，使其被誘導加倍成四倍體愈傷組織；接著將四倍體愈傷組織分割到分化培養基上進行分化培養。待其分化出苗后，經過2～3 d的煉苗處理再將試管苗移栽到自然環境中。接下來就是對試管苗進行選擇、加代，最后選育出優質、高抗的多倍體水稻資源[1]。這種創建多倍體水稻資源的方法有其優點，也有其缺點。其第1個優點是可以快速地選育出穩定的多倍體水稻資源，第2個優點是可以增加優良基因之間的交流、互換，以增加遺傳多樣性；其缺點是實驗室染色體組誘導加倍工作繁重。因為對染色體組誘導加倍的誘導頻率是有限的，在對單倍體花粉的愈傷組織進行染色體組誘導加倍的過程中不能保證單倍體花粉的愈傷組織一定被誘導加倍成了二倍體的愈傷組織；同樣，即使單倍體花粉的愈傷組織被誘導加倍成了二倍體的愈傷組織，也不能保證它能被成功地誘導成為四倍體的愈傷組織[2]。因此，必須在實驗室進行大量的花粉培養，使其產生較多的愈傷組織，這樣就可以提高誘導成功率。

3 基于四倍體層面的改良方法——定向改良

首先，要選定具有正常結實特性（含PMeS基因）的四倍體水稻材料作為目標親本，用A4x，選定其作母本；再確定含有目標性狀的二倍體水稻親本材料（如高抗、優質的材料），用B2x表示，選定其作父本；然后，要把B2x誘導加倍成B4x。

值得注意的是，誘導產生的B4x是同源四倍體，一般只有20%～40%的結實率。其根本原因就是同源四倍體在產生雌雄配子時減數分裂異常所致。也就是說同源四倍體在減數分裂時，同源染色體在配對時易產生多價體，使同源染色體不能平均分配到子細胞中。這樣，經減數分裂所產生的不正常雌雄配子中所含的染色體數大多是不相同，這就導致了在受精時不能產生正常的合子而導致不育，也就是不能自交結實而形成種子。盡管如此，也還是會產生少數正常的雌雄配子。

上面已經提到，可以通過先進的人工誘導加倍技術將B2X誘導加倍成B4x，此時就可以用回交的方法對目標親本A4x進行改良了，用A4x/B4x表示。用B4x為輪回親本對目標親本進行3次連續回交，待回交到B4xC3代時停止回交，這時B4x的優良基因已基本導入到目標親本中了。值得注意的是，在每一代回交時必須選擇表現型類似于或傾向于A4x的后代進行回交，這樣才能達到定向改良的目的[3]。

用此種方法對目標親本進行改良，其優點是不言而喻的，就是可以有目的地將優良基因供體的優良基因更大限度地導入到目標親本中以達到定向改良的目的。但是這種方法的難度就在于要盡量地擴大回交群體，其工作量相對于二倍體改良而言也就要大得多。因為在二倍體層面用回交改良的方法時其輪回親本的花粉都是正常可育的，而B4x經減數分裂產生的花粉多數是不正常的。因此，要想順利達到定向改良的目的，就要盡量地擴大回交群體，以提高A4X接受B4x正常花粉的幾率。

4 創建穩定、優質的六倍體水稻資源

為了直接有效地利用傳統的二倍體水稻育種材料，就必須創建適當倍數的多倍體水稻資源（六倍體水稻）。眾所周知，蔡得田教授解決的多倍體水稻的世界性難題——結實率問題，是在四倍體的基礎上實現的。盡管如此，目前所掌握的四倍體育種材料還存在一些有待解決的問題，所以四倍體水稻還要進一步地深入研究[4]。

上文已經說到，將二倍體水稻誘導加倍成四倍體水稻是很有難度的，而且誘導頻率也并不高。那么能不能通過傳統的二倍體水稻的育種方法（雜交育種）就能得到理想的四倍體材料呢？方法在理論上是有的。那就是可以用目前含有高結實基因（含PMeS基因）的育種材料A（4x）作母本與二倍體材料B（2x）雜交得到F1（3x），然后再用胚挽救結合組織培養技術得到三倍體植株，最后再用染色體組誘導加倍法得到六倍體水稻育種資源。這樣就可以直接用豐富的二倍體水稻資源與六倍體水稻雜交得到四倍體水稻資源。

理論上可以用這種方法創建多種類型和不同抗性的多倍體水稻育種資源，也可以用這種方法利用二倍體水稻育種材料直接對四倍體水稻育種材料進行回交改良。比如要用B（2x）作父本對A（4x）進行回交改良，用A（4x）/B（2x）表示，先得到F1（3x），然后再用胚挽救結合組織培養技術得到三倍體植株，最后再用染色體組誘導加倍法得到六倍體水稻F01（6x），再用B（2x）與F01（6x）（F01（6x）/B（2x））雜交得到C（4x），這樣就能實現二倍體水稻與四倍體水稻之間直接雜交利用的目的。

5 結語

總之，二倍體水稻產量再增加已經遇到了瓶頸，多倍體水稻理論上可以增產50%。目前，多倍體水稻育種已經進入快車道，只要在抗性和品質上加以改進就可以引起水稻育種歷史上的又一次革命。因此，要不斷地尋找解決問題的辦法來催生這一偉大的成果。

6 參考文獻

[1] 左博.多倍體水稻不育系和恢復系的育性及其組配研究[D].武漢：湖北大學，2012.

[2] 劉建新，陳建國，陳冬玲，等.四倍體水稻花器和花粉性狀研究[J].中國農業科學，2008（12）：3941-3951.

[3] 黃群策，代西梅.水稻同源多倍體的研究策略[J].雜交水稻，2006（2）：1-4.

[4] 羅小金，賀浩華.水稻多倍性育種研究進展[J].中國農學通報，2001（6）：53-56.