水稻光溫敏核不育系的組織培養(yǎng)研究進(jìn)展

韋永貴++董卓婭++張曉磊++段自林++羅龍

摘 要：中國(guó)雜交水稻的研究在世界上處于領(lǐng)先水平，不僅為中國(guó)水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，也為國(guó)際上水稻雜交提供了很多優(yōu)秀的經(jīng)驗(yàn)和范例。水稻光溫敏核不育是水稻的生物遺傳現(xiàn)象，是當(dāng)前我國(guó)的水稻兩系種植中最重要的研究領(lǐng)域之一。文章將梳理我國(guó)雜交水稻的研究概況，分析了我國(guó)水稻育種技術(shù)從三系到兩系的轉(zhuǎn)變，以及光溫敏性不育系的組織培養(yǎng)在其中產(chǎn)生的重要作用、研究成果和研究方向，為我國(guó)雜交水稻的進(jìn)一步研究提供一些啟示和思考。

關(guān)鍵詞：雜交水稻；水稻光溫敏核不育；雄性不育；三系；兩系

中圖分類(lèi)號(hào)：S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170933004

水稻是世界糧食作物中最重要的一種，世界上超過(guò)30%的人口以稻米為主食。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，水稻種植歷史悠久，稻米一直是中國(guó)人民，尤其是南方人民喜愛(ài)的主食，我國(guó)是亞洲水稻種植的第2大國(guó)，水稻年產(chǎn)超過(guò)全國(guó)糧食等額40%，占商品糧的50%以上，水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量直接關(guān)系著人民的溫飽、國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定，所以，加強(qiáng)水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)配種研究，是國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的需要，意義十分重大。

1 水稻雜交優(yōu)勢(shì)和中國(guó)雜交水稻研究的基本概況

雜交水稻是指選擇2個(gè)或2個(gè)以上在生理遺傳上存在一定差異，但某些性能又能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的水稻品種進(jìn)行雜交而形成的水稻新品種。雜交水稻能獲得巨大的雜種優(yōu)勢(shì)，在水稻的長(zhǎng)勢(shì)、繁殖能力、生活能力、適應(yīng)性、抗病性、產(chǎn)量、質(zhì)量等綜合狀態(tài)都超過(guò)雜交的雙親，改良了品種，極大地提高了水稻的單產(chǎn)和質(zhì)量。

獲得雜種優(yōu)勢(shì)的雜交水稻具有典型的特點(diǎn)：根系發(fā)達(dá)、穗大粒多、米質(zhì)好、適應(yīng)性廣、光能利用率高，不僅本身的單產(chǎn)和質(zhì)量有了巨大提高，整體產(chǎn)量和綜合性能也遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)品種，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重大意義。

20世紀(jì)40年代以來(lái)，我國(guó)雜交水稻研究在袁隆平科研隊(duì)伍的帶領(lǐng)下獲得了巨大突破。總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)的水稻研究大致經(jīng)歷了從“三系”到“兩系”到“超級(jí)稻”的過(guò)程，為我國(guó)水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)發(fā)展和推動(dòng)世界水稻雜交的研究做出了重要貢獻(xiàn)。

2 水稻的雄性不育研究

水稻是自花授粉的作物，雌雄同花，傳粉受精繁殖在同一朵花內(nèi)進(jìn)行，一旦雄性器官退化或敗育，水稻就無(wú)法傳粉受精繁殖結(jié)果，嚴(yán)重影響水稻的產(chǎn)量，而如果只是雄性器官遭到了破壞或功能退化，雌性器官完好無(wú)損，那只要往雌性器官正常傳粉就可以完成受精，使水稻正常繁殖發(fā)育，這種現(xiàn)象被稱為雄性不育，具有這種特征的水稻品種被稱為“雄性不育系”。雄性不育現(xiàn)象最早由日本的尾崎于1917年發(fā)現(xiàn)，他還提出，水稻雄性不育的原因是隱性遺傳，在有關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了水稻雜種第2代的育性分離比例：1：2：1。自此以后，國(guó)外的很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水稻雄性不育的原因和細(xì)胞自然突變、遠(yuǎn)緣雜交、秈粳雜交以及不同水稻品種之間的間雜等多個(gè)角度展開(kāi)了研究。1975年，我國(guó)研究者將非洲光身栽培稻作母本與湖北的一種稱之為“華矮”早秈稻雜交獲得了雄性不育材料，經(jīng)過(guò)更加深入的研究，發(fā)現(xiàn)以野生稻為母本、栽培稻為父本更易獲得雄性不育株。日本的新城長(zhǎng)友在秈粳稻雜交上花費(fèi)了很多努力，但是研究得出的新品系未能在現(xiàn)實(shí)上投產(chǎn)，雜交的優(yōu)勢(shì)不明顯。經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家的多年研究，發(fā)現(xiàn)雄性材料獲得的最關(guān)鍵原因在于選擇親本，最后證實(shí)，以中國(guó)華南地區(qū)的晚秈、云貴高原秈、東南亞秈稻、印度春秈4種作為母本與粳稻雜交獲得雄性不育系的幾率最高。

不同生態(tài)類(lèi)型水稻品種的雜交、地理上的遠(yuǎn)距離雜交在我國(guó)獲得了很大的進(jìn)步，先后培育出了網(wǎng)型不育系為主的多個(gè)不育系，并證實(shí)了通過(guò)品種間雜交獲得雄性不育的幾率最高。

水稻雄性不育一般有遺傳型和非遺傳型2種，用于育種研究的是遺傳型。遺傳型不育主要包含3個(gè)方面的不育：細(xì)胞和不育、細(xì)胞質(zhì)不育、質(zhì)核互作用不育，大量研究表明，單純的受細(xì)胞質(zhì)決定的不育并未發(fā)現(xiàn)，所以專(zhuān)家學(xué)者的研究主要集中于細(xì)胞核不育和質(zhì)核互作型2種的不育。我國(guó)最早的雄性不育材料被發(fā)現(xiàn)于1964年，是袁隆平研究團(tuán)隊(duì)獲得的成果，是勝利秈中發(fā)現(xiàn)的，屬于自然突變無(wú)花粉型不育材料，是細(xì)胞核不育材料，不過(guò)沒(méi)有保持系，所以這種雄性材料不能直接被利用。

1973年，湖北沔陽(yáng)科學(xué)家石明松發(fā)現(xiàn)了3株自然不育株，開(kāi)始了不育株的育性與日照時(shí)長(zhǎng)關(guān)系的研究，1985年，石明松將自己研究的不育材料正式命名為湖北光感雄性核不育水稻，這一研究開(kāi)啟了我國(guó)雜交水稻育種的新角度。1987年，袁隆平系統(tǒng)地提出了中國(guó)雜交水稻由三系到兩系的一系列發(fā)展戰(zhàn)略構(gòu)想，兩系雜交水稻研究和光溫敏不育系被列入國(guó)家自然基金的重大項(xiàng)目及863計(jì)劃。1989年，由于受長(zhǎng)江中下游低溫的影響，部分光敏性不育系的育性恢復(fù)了，科學(xué)家對(duì)以秈型不育系為主的光溫敏性不育系進(jìn)行了再檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有的光敏性不育系其實(shí)是溫敏性不育系，從此以后，光溫敏系就被分為了光敏、溫敏2大類(lèi)型。光溫敏性不育系水稻不斷被培育出來(lái)，并被分成了3種類(lèi)型： 光周期敏感不育型、溫度敏感不育型、光溫互作敏感不育型，并且科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，比起溫敏型不育系，光敏型不育系的可操作性更強(qiáng)。目前發(fā)現(xiàn)的溫敏型不育系有：鄧華鳳發(fā)現(xiàn)的安農(nóng)S-1（高溫雄性不育低溫正常可育）、湖南衡陽(yáng)農(nóng)科所發(fā)現(xiàn)的衡農(nóng)S-1、福建農(nóng)科所發(fā)現(xiàn)的5460S、R59TS，云南研究員、江西研究員發(fā)現(xiàn)的IVA、尋滇IA、宜DSI、DS38S（低溫短日照不育、高溫長(zhǎng)日照可育）等。

根據(jù)控制水稻光溫敏核的基因，也將光溫敏不育系分為5大類(lèi)：由秈粳稻交從與農(nóng)墾S5雜交而來(lái)的雜交稻，比如W6154；輻射后代獲得的光溫敏不育系，如5460S；野栽后雜交獲得的，比如衡農(nóng)S-1；秈秈交代而獲得，比如安農(nóng)S-1；秈粳復(fù)交的后代中選育而來(lái)的，比如新光S之類(lèi)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2004年，我國(guó)已通過(guò)省級(jí)或省級(jí)以上鑒定的光溫敏性不育系的種質(zhì)已超過(guò)100個(gè)，自此后更是不斷增加，極大地豐富了育種市場(chǎng)。endprint

3 水稻光（溫）敏核不育系（兩系）配套育種技術(shù)及其進(jìn)步性

3.1 三系配套技術(shù)的產(chǎn)生及局限性

自1917年日本的尾崎發(fā)現(xiàn)水稻雄性不育后，利用水稻品種之間的雜交獲得雜種優(yōu)勢(shì)獲得了各國(guó)科學(xué)家的普遍重視，雄性不育和水稻雜交的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)，但1958年，日本的尾清聲還是培育了第1個(gè)質(zhì)核互作型的不育系，1968年新城長(zhǎng)友第一次成功育成了粳型雜交稻的三系配套育種，1960年，中國(guó)科學(xué)院院士袁隆平教授將雜種的制種技術(shù)作為一項(xiàng)重要突破口，利用2a時(shí)間篩查了14000余穗水稻種子后，終于在4個(gè)水稻品種中發(fā)現(xiàn)了6株雄性不育材料，在他的《水稻的雄性不育》論文中正式提出了水稻三系法雜交育種思想。

水稻“三系”是指雄性不育系、雄性不育保持系、雄性不育恢復(fù)系，“三系配套育種”就是利用少量的雄性不育植株培育一個(gè)可以無(wú)限增加無(wú)限擴(kuò)大的雄性不育系，然后選一種常規(guī)水稻配成能夠?qū)⑿坌圆挥档牟挥卣饔肋h(yuǎn)無(wú)退化地保持下去的保持系，再選出一種常規(guī)水稻作為恢復(fù)系雜交，使雜交后代的可育性全面恢復(fù)實(shí)現(xiàn)自花傳粉受精結(jié)實(shí)，由此得到的F1代種子就可以大規(guī)模用于大田生產(chǎn)，水稻雜交的研究獲得了巨大突破。

然而，從研究到具體的實(shí)際投入生產(chǎn)并不容易，必須要解決不育系、保持系、恢復(fù)系的選育問(wèn)題，我國(guó)不育系材料的典型突破是1970年發(fā)現(xiàn)的“敗野”、1971年江西龍顏安培育的二九矮4號(hào)、袁隆平培育的二九南1號(hào)、周坤爐培育的71-72不育系以及這些不育系的保持系。1973年，張先程首先發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)優(yōu)恢復(fù)系IR24，至此，中國(guó)秈型三系配套終于實(shí)現(xiàn)，中國(guó)的雜交水稻正式誕生，對(duì)促進(jìn)我國(guó)的水稻生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，在具體的實(shí)際操作中，三系配套技術(shù)的局限性也越發(fā)體現(xiàn)出來(lái)，比如制種周期長(zhǎng)、效率不高、成本花費(fèi)大，很難大規(guī)模推廣。所以，對(duì)三系配套技術(shù)進(jìn)行技術(shù)革新和改良十分迫切。

3.2 兩系配套技術(shù)的先進(jìn)性

兩系法就是在三系配套技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的革新和改良，不使用保持系，而是使用光溫敏核不育系進(jìn)行水稻種子的繁制，這樣，原先三系中繁雜的利用保持系與不育系雜交取不育系后代育種的環(huán)節(jié)就被省去了，大大簡(jiǎn)化了制種程序，節(jié)約了時(shí)間和制種成本，提高了制種效率。運(yùn)用了光溫敏系的兩系法，掙脫了恢保關(guān)系的限制，提高了配組的自由度和強(qiáng)優(yōu)配組的幾率，亞種間的雜種優(yōu)勢(shì)獲得了更有效的利用，大幅度提高了水稻的單產(chǎn)和稻米質(zhì)量。而且，兩系法的父本選擇比三系法范圍更廣更自由，育種的雜交優(yōu)勢(shì)可以被反復(fù)利用，極大地?cái)U(kuò)展了雜交水稻的利用范圍，對(duì)氣候類(lèi)型多樣的我國(guó)具有重大意義。我國(guó)目前比較典型的兩系雜交稻有培優(yōu)288、香125S、香5B、香兩優(yōu)68、兩優(yōu)培九、培兩優(yōu)288、豐兩優(yōu)1號(hào)等。

4 兩系雜交水稻不育系組培快繁研究

水稻光溫敏雄性不育是一種相當(dāng)復(fù)雜的現(xiàn)象，在具體的研究中，發(fā)現(xiàn)以溫敏為主的很多秈粳型不育系，在某些特定條件下，也表現(xiàn)出光敏不育性，許多光敏不育性的水稻在南方種植時(shí)也會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的溫敏不育性，導(dǎo)致水稻在不同的季節(jié)下產(chǎn)量大有不同，所以利用組培方法來(lái)優(yōu)化溫光敏材料的育種性能，加快水稻不育系的快繁成為新的研究方向和研究熱點(diǎn)，并取得了一定突破。

1999—2001年海南大學(xué)的組培實(shí)驗(yàn)室和水稻科研基地對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)，選取了15種兩系不育系型基因進(jìn)行組培培植，發(fā)現(xiàn)利用無(wú)菌秧苗秧苗在試管內(nèi)直接培植成大量的水稻秧苗分蘗，并將其分別培養(yǎng)成秧苗，可以省去壯苗生成過(guò)程和生根過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了育種過(guò)程，并且可以大規(guī)模商業(yè)化種植。

通過(guò)組培方法發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基中蔗糖的濃度對(duì)水稻繁殖能力有重要影響，為水稻育種培養(yǎng)提供碳源；調(diào)節(jié)著培養(yǎng)基中的滲透壓。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，蔗糖濃度在9%～12%的時(shí)候最有利于秧苗的分蘗，低于6%不利于分蘗，15%時(shí)繁殖系數(shù)維持在6.0水平，保持培養(yǎng)基中的蔗糖濃度在12%可達(dá)到最高的繁殖效果，并且，培養(yǎng)基中的無(wú)菌秧苗轉(zhuǎn)接后的20d不會(huì)形成根系，只是分蘗，經(jīng)過(guò)不斷地消耗蔗糖，滲透壓不斷降低，轉(zhuǎn)接4周后才開(kāi)始逐漸形成根系，這樣，就大大加快了根系的生長(zhǎng)，節(jié)約了繁育時(shí)間，提高了分蘗效率和質(zhì)量。

組培方法的選育不育系還發(fā)現(xiàn)，水稻根系培育時(shí)，激素條件與煙草等已發(fā)現(xiàn)的雄性激素的適宜條件有很大不同，海南水稻研究中心經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單獨(dú)使用低于1.0mL的生長(zhǎng)類(lèi)激素與細(xì)胞分裂類(lèi)激素相配時(shí)，絕大部分的組培無(wú)菌秧苗無(wú)法形成根系，而是植株矮小，長(zhǎng)勢(shì)不良；當(dāng)生長(zhǎng)類(lèi)激素為0.25mL，配以10.0mL的細(xì)胞分裂類(lèi)激素，秧苗的分蘗最多，而且根系發(fā)達(dá)，長(zhǎng)勢(shì)良好。這一發(fā)現(xiàn)為水稻兩系不育系的育種快繁培植打開(kāi)了新的領(lǐng)域，并從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，正在經(jīng)受市場(chǎng)的實(shí)踐檢驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，也是我國(guó)必不可缺的主要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物之一，加強(qiáng)水稻的育種技術(shù)研究，發(fā)揮水稻的雜種優(yōu)勢(shì)是提高水稻單產(chǎn)，改善水稻質(zhì)量的重要手段。文章對(duì)我國(guó)雜交水稻育種技術(shù)研究概況、三系到兩系的發(fā)展過(guò)程、對(duì)光溫敏不育系的研究歷程及其組培方法進(jìn)行了介紹，為促進(jìn)我國(guó)雜交水稻育種技術(shù)提供了一些思考和啟示，文章的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉忠奇，唐先亮，鄧曉娟，張海清.水稻光溫敏核不育機(jī)理研究進(jìn)展與展望[J].作物研究，2011（5）.

[2]陳立云，肖應(yīng)輝.水稻光溫敏核不育機(jī)理設(shè)想及光溫敏核不育系選育策略[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2010（2）.

[3]陳立云，雷東陽(yáng)，唐文邦，肖應(yīng)輝.兩系法雜交水稻研究和應(yīng)用中若干問(wèn)題的思與行[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2010（6）.

[4]陳立云，肖應(yīng)輝.水稻光溫敏核不育機(jī)理設(shè)想及光溫敏核不育系選育策略[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2010（2）.

[5]Yuan-fei ZHOU，Xian-yin ZHANG，Qing-zhong XUE.Fine mapping and candidate gene prediction of the photoperiod and thermo-sensitive genic male sterile gene pms1（t） in rice[J].Journal of Zhejiang University-Science B（Biomedicine & Biotechnology），2011（6）.

[6]Jihua Ding，Qing Lu，Yidan Ouyang.A long noncoding RNA regulates photoperiod-sensitive male sterility，an essential component of hybrid rice[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012（7）.

作者簡(jiǎn)介：羅龍（1976-），云南曲靖，碩士，高級(jí)農(nóng)藝師，研究方向：水稻遺傳育種。endprint