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：中國雜交水稻的研究在世界上處于領(lǐng)先水平，不僅為中國水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，也為國際上水稻雜交提供了很多優(yōu)秀的經(jīng)驗和范例。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。文章將梳理我國雜交水稻的研究概況，分析了我國水稻育種技術(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

中圖分類號：S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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30%的人口以稻米為主食。我國是農(nóng)業(yè)大國，水稻種植歷史悠久，稻米一直是中國人民，尤其是南方人民喜愛的主食，我國是亞洲水稻種植的第2大國，水稻年產(chǎn)超過全國糧食等額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、國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會的穩(wěn)定，所以，加強水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)配種研究，是國家政治、經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展的需要，意義十分重大。

1 水稻雜交優(yōu)勢和中國雜交水稻研究的基本概況

雜交水稻是指選擇2個或2個以上在生理遺傳上存在一定差異，但某些性能又能實現(xiàn)優(yōu)勢互補的水稻品種進(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，在水稻的長勢、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)勢的雜交水稻具有典型的特點：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)超過當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢品種，對促進(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，我國雜交水稻研究在袁隆平科研隊伍的帶領(lǐng)下獲得了巨大突破?？傮w來說，我國的水稻研究大致經(jīng)歷了從“三系”到“兩系”到“超級稻”的過程，為我國水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)發(fā)展和推動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，國外的很多專家學(xué)者對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角度展開了研究。1975年，我國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。日本的新城長友在秈粳稻雜交上花費了很多努力，但是研究得出的新品系未能在現(xiàn)實上投產(chǎn)，雜交的優(yōu)勢不明顯。經(jīng)過許多科學(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，以中國華南地區(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)類型水稻品種的雜交、地理上的遠(yuǎn)距離雜交在我國獲得了很大的進(jìn)步，先后培育出了網(wǎng)型不育系為主的多個不育系，并證實了通過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)隊獲得的成果，是勝利秈中發(fā)現(xiàn)的，屬于自然突變無花粉型不育材料，是細(xì)胞核不育材料，不過沒有保持系，所以這種雄性材料不能直接被利用。

1973年，湖北沔陽科學(xué)家石明松發(fā)現(xiàn)了3株自然不育株，開始了不育株的育性與日照時長關(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，這一研究開啟了我國雜交水稻育種的新角度。1987年，袁隆平系統(tǒng)地提出了中國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家自然基金的重大項目及863計劃。1989年，由于受長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)家對以秈型不育系為主的光溫敏性不育系進(jìn)行了再檢驗，發(fā)現(xiàn)有的光敏性不育系其實是溫敏性不育系，從此以后，光溫敏系就被分為了光敏、溫敏2大類型。光溫敏性不育系水稻不斷被培育出來，并被分成了3種類型： 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。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?？捎?、湖南衡陽農(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：由秈粳稻交從與農(nóng)墾S5雜交而來的雜交稻，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的，比如新光S之類。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2004年，我國已通過省級或省級以上鑒定的光溫敏性不育系的種質(zhì)已超過100個，自此后更是不斷增加，極大地豐富了育種市場。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)勢獲得了各國科學(xué)家的普遍重視，雄性不育和水稻雜交的研究逐漸開展起來，但1958年，日本的尾清聲還是培育了第1個質(zhì)核互作型的不育系，1968年新城長友第一次成功育成了粳型雜交稻的三系配套育種，1960年，中國科學(xué)院院士袁隆平教授將雜種的制種技術(shù)作為一項重要突破口，利用2a時間篩查了14000余穗水稻種子后，終于在4個水稻品種中發(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可以無限增加無限擴大的雄性不育系，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)實現(xiàn)自花傳粉受精結(jié)實，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)系的選育問題，我國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、袁隆平培育的二九南1號、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)了強優(yōu)恢復(fù)系IR24，至此，中國秈型三系配套終于實現(xiàn)，中國的雜交水稻正式誕生，對促進(jìn)我國的水稻生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，在具體的實際操作中，三系配套技術(shù)的局限性也越發(fā)體現(xiàn)出來，比如制種周期長、效率不高、成本花費大，很難大規(guī)模推廣。所以，對三系配套技術(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，大大簡化了制種程序，節(jié)約了時間和制種成本，提高了制種效率。運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優(yōu)配組的幾率，亞種間的雜種優(yōu)勢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)勢可以被反復(fù)利用，極大地擴展了雜交水稻的利用范圍，對氣候類型多樣的我國具有重大意義。我國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也會表現(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，并取得了一定突破。

1999—2001年海南大學(xué)的組培實驗室和水稻科研基地對此進(jìn)行了試驗，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程和生根過程，大大簡化了育種過程，并且可以大規(guī)模商業(yè)化種植。

通過組培方法發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基中蔗糖的濃度對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)實驗證明，蔗糖濃度在9%～12%的時候最有利于秧苗的分蘗，低于6%不利于分蘗，15%時繁殖系數(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)基中的無菌秧苗轉(zhuǎn)接后的20d不會形成根系，只是分蘗，經(jīng)過不斷地消耗蔗糖，滲透壓不斷降低，轉(zhuǎn)接4周后才開始逐漸形成根系，這樣，就大大加快了根系的生長，節(jié)約了繁育時間，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，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)過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單獨使用低于1.0mL的生長類激素與細(xì)胞分裂類激素相配時，絕大部分的組培無菌秧苗無法形成根系，而是植株矮小，長勢不良；當(dāng)生長類激素為0.25mL，配以10.0mL的細(xì)胞分裂類激素，秧苗的分蘗最多，而且根系發(fā)達(dá)，長勢良好。這一發(fā)現(xiàn)為水稻兩系不育系的育種快繁培植打開了新的領(lǐng)域，并從實驗室走向市場，正在經(jīng)受市場的實踐檢驗。

5 結(jié)語

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，也是我國必不可缺的主要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物之一，加強水稻的育種技術(shù)研究，發(fā)揮水稻的雜種優(yōu)勢是提高水稻單產(chǎn)，改善水稻質(zhì)量的重要手段。文章對我國雜交水稻育種技術(shù)研究概況、三系到兩系的發(fā)展過程、對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。

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