水稻的雄性不育性及其在雜種優(yōu)勢(shì)中的利用

梁滿中,王 鋒,殷小林,肖翡翠,張聰枝,高琴梅,劉偉浩,胡舒暢,陳良碧

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物不育資源創(chuàng)新與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)湖南長(zhǎng)沙410081)

水稻是我國(guó)主要的糧食作物,我國(guó)三分之二以上的人口以水稻為主食。在過(guò)去的40多年里,水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用為我國(guó)的糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)。水稻是自花授粉作物,其穎花多且小,無(wú)法通過(guò)人工去雄的方法生產(chǎn)雜交種。水稻利用雜種優(yōu)勢(shì)唯一可行的途徑就是利用雄性不育系做母本與恢復(fù)系雜交生產(chǎn)雜交種。利用雄性不育系可以省去繁雜的人工去雄程序,提高雜交制種的效率和雜交種子的產(chǎn)量。雄性不育(male sterility)是指植物在有性繁殖過(guò)程中雄蕊發(fā)育不正常,不能產(chǎn)生正常可育的花粉,正常情況下不能自交受精結(jié)實(shí)；而雌蕊發(fā)育正常,能接受正?？捎ǚ鄄⑹芫Y(jié)實(shí)；雄性不育現(xiàn)象在植物中普遍存在,自1763年德國(guó)植物學(xué)家約瑟夫戈特利布克(Joseph Gottlieb Kolreute)[1]首次觀察并報(bào)道植物雄性不育的現(xiàn)象起,已有610多種植物被報(bào)道了雄性不育現(xiàn)象[2]。

1964年袁隆平在勝利秈中發(fā)現(xiàn)雄性不育株[3],自此開(kāi)啟了我國(guó)水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用的序幕。在水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用中,利用雄性不育系技術(shù)的關(guān)鍵是不育系種子的批量繁殖。在我國(guó)水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用中,實(shí)用的雄性不育的遺傳類(lèi)型按其繁殖方式有細(xì)胞質(zhì)雄性不育系兩用核不育系和隱性核不育系三種主要類(lèi)型。細(xì)胞質(zhì)雄性不育系需要選育與該不育系核基因相同的保持系來(lái)繁殖不育系種子,雜種優(yōu)勢(shì)利用需要選育基因純合的不育系、保持系和恢復(fù)系3個(gè)系統(tǒng),通常稱(chēng)為“三系法”雜交水稻。兩用核不育系在花粉發(fā)育的敏感期,一定的光溫條件下花粉表現(xiàn)為雄性不育,可以進(jìn)行雜交制種；而在另一光溫條件下不育系花粉則為可育,可以自交繁殖種子。環(huán)境敏感型不育系可以一系兩用,在雜種優(yōu)勢(shì)利用只需要不育系和恢復(fù)系,所以通常稱(chēng)為“兩系法”雜交水稻。隱性核不育系的育性表現(xiàn)為不育性穩(wěn)定,花粉育性不受光溫影響而發(fā)生育性轉(zhuǎn)換,無(wú)法像“兩用核不育系”一樣自交繁殖不育系種子。在品種資源中無(wú)法找到保持雄性不育性的資源選育保持系,不能實(shí)現(xiàn)不育系種子生產(chǎn)。但是利用現(xiàn)代生物技術(shù)的智能不育技術(shù)[4]可以實(shí)現(xiàn)隱性核不育系的繁殖,即“第三代”雜交水稻[5]。我國(guó)水稻雄性不育系在水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用中經(jīng)歷了“三系法”“兩系法”和“第三代”雜交水稻的發(fā)展歷程,本文綜述了我國(guó)雜交水稻主要應(yīng)用的雄性不育系在水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用中的發(fā)展歷程和研究進(jìn)展,展望了水稻雄性不育系在水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用的發(fā)展前景,以期為我國(guó)雜交水稻的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的利用

最早報(bào)道細(xì)胞質(zhì)雄性不育系(cytoplasmic male sterility,CMS)的是日本的Weearatne和Sampath,其在日本粳稻“藤坂5號(hào)”(Fujisaka 5)與中國(guó)紅芒野生稻雜交后代發(fā)現(xiàn)雄性不育株,然后用“藤坂5號(hào)”做輪回親本回交轉(zhuǎn)育選育成“藤坂5號(hào)”細(xì)胞質(zhì)雄性不育系,由于沒(méi)有找到恢復(fù)系,未能應(yīng)用于水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用。1966年日本Shinjyo和O’mura用印度秈稻欽蘇拉包羅Ⅱ(Chinsurah BoroⅡ)做母本與中國(guó)臺(tái)北粳稻臺(tái)中65(Taichung 65)雜交,然后用后代群體中發(fā)現(xiàn)的雄性不育株與“臺(tái)中65”連續(xù)回交,選育成“臺(tái)中65A”不育系,實(shí)現(xiàn)了不育系的繁殖?！芭_(tái)中65A”不育系育成后,找到了恢復(fù)系,實(shí)現(xiàn)了“三系”配套。但由于選用的粳稻恢復(fù)系與不育系“臺(tái)中65A”親緣關(guān)系近,雜種優(yōu)勢(shì)不強(qiáng),且又是高稈品種,未能應(yīng)用于生產(chǎn)[6]。1970年袁隆平的助手李必湖在海南三亞普通野生稻中發(fā)現(xiàn)了自然突變的雄性不育株“野敗”,利用長(zhǎng)江中下游稻區(qū)的許多秈稻品種都能保持“野敗”的雄性不育性,實(shí)現(xiàn)不育系的繁殖。國(guó)內(nèi)育種工作者從東南亞和國(guó)際水稻研究所的種質(zhì)資源中篩選出具有較強(qiáng)恢復(fù)能力材料,由此實(shí)現(xiàn)了水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用的“三系”配套[6]。由于選育的不育系與恢復(fù)系親緣關(guān)系較遠(yuǎn),所以選育的雜交組合(南優(yōu)2號(hào)、汕優(yōu)2號(hào))表現(xiàn)出很強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì),“三系”雜交水稻在我國(guó)很快就大面積推廣應(yīng)用,為我國(guó)的糧食安全做出了巨大的貢獻(xiàn)。

根據(jù)細(xì)胞質(zhì)來(lái)源不同,細(xì)胞質(zhì)雄性不育系可分為野敗型、岡型、D型、印尼水田谷型、矮敗型、K型、紅蓮型、包臺(tái)型和滇型等；根據(jù)花粉敗育發(fā)生的時(shí)間不同,其可分為孢子體不育和配子體不育。野敗型、岡型、D型、印尼水田谷型、矮敗型、K型花粉敗育發(fā)生在花粉母細(xì)胞形成至減數(shù)分裂期,屬孢子體不育。紅蓮型、包臺(tái)型和滇型等花粉敗育發(fā)生在二核或三核花粉期,為配子體不育。野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系是水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用中應(yīng)用最早、應(yīng)用面積最大的細(xì)胞質(zhì)雄性不育類(lèi)型[6]。

1.1 野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系

1970年11月,袁隆平的助手李必湖在海南南紅農(nóng)場(chǎng)的普通野生稻群中發(fā)現(xiàn)一株花藥瘦小、淡黃色、不開(kāi)裂、花粉育性表現(xiàn)為典敗的雄性不育株,命名為“野敗”。長(zhǎng)江流域早秈品種和“野敗”雜交,后代能保持“野敗”雄性不育特性。袁隆平利用“二九南1號(hào)”與“野敗”連續(xù)回交選育出“二九南1A”,顏龍安用“珍汕97”轉(zhuǎn)育出“珍汕97A”,實(shí)現(xiàn)了野敗型雄性不育系的大量繁殖。隨后,育種工作者育成了威20A、金23A、博A、龍?zhí)仄諥、川香29A、天豐A、粵豐A等在生產(chǎn)中大面積推廣應(yīng)用的不育系。“珍汕97A”是我國(guó)雜交水稻歷史上應(yīng)用面積最大的不育系[7]。

“野敗”細(xì)胞質(zhì)雄性不育系屬孢子體雄性不育,花粉敗育發(fā)生在花粉母細(xì)胞形成期,通常不能形成花粉粒,即“無(wú)花粉型”敗育。湖南師范學(xué)院生物系[8]通過(guò)對(duì)南廣占系C35171、南陸矮系D31134、68-899系等“無(wú)花粉型”不育株進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)有造孢細(xì)胞分裂異常、花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂異常、四分體以后退化3種敗育方式。湖南師范學(xué)院生物系[9]對(duì)“野敗”二九南1號(hào)和湘早矮等不育系進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)絨氈層細(xì)胞與花粉粒一起退化消失。潘坤清等[10]觀察野敗型不育系珍珠矮不育系(BC6F1)等發(fā)現(xiàn)在花粉發(fā)育的單核后期,中間層細(xì)胞液泡化導(dǎo)致絨氈層破壞消失。此時(shí)敗育的花粉已形成一個(gè)典型的花粉形態(tài),因此稱(chēng)為“典敗型”花粉敗育。野敗型細(xì)胞質(zhì)雄不育系不育性穩(wěn)定,如金23A、豐源A在自然高溫條件下,不會(huì)出現(xiàn)育性波動(dòng)[11～12]。

野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因?yàn)榫€粒體基因WA352,它由3個(gè)線粒體開(kāi)放閱讀框 orf284、orf-224、orf288和1個(gè)短SUO組成。該基因編碼的蛋白質(zhì)WA-352在花粉母細(xì)胞期的花藥絨氈層中大量累積,并與核基因編碼的線粒體蛋白質(zhì)COX11發(fā)生相互作用,抑制COX11在過(guò)氧化物代謝中的功能,觸發(fā)絨氈層過(guò)早程序性細(xì)胞死亡,導(dǎo)致隨后的花粉敗育[13]。

野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系選育成功后,水稻育種工作者利用我國(guó)主要稻區(qū)的水稻品種進(jìn)行了大量測(cè)配,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)強(qiáng)恢復(fù)能力的品種資源。1973年廣西農(nóng)學(xué)院的張先程率先在東南亞和國(guó)際水稻研究所的品種資源中發(fā)現(xiàn)了“泰引1號(hào)”和“IR24”具有強(qiáng)恢復(fù)能力和強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)的種質(zhì),隨后全國(guó)水稻育種工作者通過(guò)廣泛測(cè)交又篩選出“IR661”“古154”等具有強(qiáng)恢復(fù)能力和強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)的種質(zhì)資源。袁隆平利用“二九南1A”、顏龍安用“珍汕97A”分別與“IR24”測(cè)配,成功選育“南優(yōu)2號(hào)”和“汕優(yōu)2號(hào)”。謝華安用IR30(♀)與圭630(♂)雜交,選育出強(qiáng)恢復(fù)系明恢63,用明恢63與“珍汕97A”選育成的汕優(yōu)63是我國(guó)應(yīng)用范圍廣泛、應(yīng)用面積最大和推廣時(shí)間最長(zhǎng)的雜交水稻品種[7]。

野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系育性恢復(fù)基因Rf4編碼一個(gè)線粒體定位的PPR蛋白,通過(guò)抑制WA-352轉(zhuǎn)錄來(lái)發(fā)揮作用。RF4可降解雙順?lè)醋觬pl5-WA352和單順?lè)醋覹A352轉(zhuǎn)錄本。育性恢復(fù)的雜交稻中恢復(fù)基因Rf4能使WA352轉(zhuǎn)錄本的豐度降低到約20%,從而使野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育育性恢復(fù)正常[13]。

1.2 紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系

紅蓮型細(xì)胞質(zhì)不育系(CMS-HL)是武漢大學(xué)朱英國(guó)等利用海南紅芒野生稻與早秈品種蓮塘早雜交獲得的不育株與有保持能力的品種回交,選育的一類(lèi)細(xì)胞質(zhì)雄性不育系。生產(chǎn)上應(yīng)用的紅蓮型不育系主要有粵泰A、叢廣41A、竹秈A和珞紅4A等。全基因組高通量測(cè)序結(jié)果發(fā)現(xiàn),珞紅3A和珞紅4A的第7號(hào)染色體上有一段長(zhǎng)達(dá)408 481 bp的片段缺失,該缺失片段包含了OsNRAMP1和OsNRAMP5[14]。王天抗等[15]在鎘重度污染土壤中種植珞紅3A和珞紅4A,開(kāi)花期用黃華占(籽粒鎘高積累)等品種授粉,收獲珞紅3A和珞紅4A雜交種,雜交種籽粒的鎘含量低于0.1 mg/kg,表明珞紅3A和珞紅4A是鎘低積累的品種資源[15]。珞紅3A和珞紅4A種質(zhì)資源的應(yīng)用將為低鎘雜交水稻的選育帶來(lái)新的技術(shù)突破。

紅蓮型細(xì)胞質(zhì)不育系屬配子體不育,花藥黃色,瘦癟,不開(kāi)裂。武漢大學(xué)遺傳研究室[16]對(duì)紅芒野生稻和蓮塘早雜交選育的紅蓮型不育系進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)花粉敗育主要發(fā)生在單核晚期至二核早期,敗育花粉經(jīng)I2-KI染色后呈中空?qǐng)A形,稱(chēng)為“圓敗型”敗育。徐樹(shù)華[17]在紅蓮-華矮15不育系中發(fā)現(xiàn),絨氈層細(xì)胞出現(xiàn)塊狀畸形增生,把鄰近花粉母細(xì)胞推向藥室中央,導(dǎo)致花粉母細(xì)胞解體。紅蓮型不育系花粉育性會(huì)受溫度影響,如粵泰A在育性敏感期遇高溫花粉可育度增加[11～12]。

紅蓮型胞質(zhì)雄性不育基因orfH79編碼一個(gè)細(xì)胞毒素肽,與細(xì)胞核編碼的線粒體mtETC復(fù)合體Ⅲ的P61亞基相互作用,干擾復(fù)合體Ⅲ的活性,使ATP和NADH生成減少,導(dǎo)致雄性不育[18～19]。

紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系與野敗型細(xì)胞質(zhì)的恢復(fù)基因源不同,其恢復(fù)基因有Rf5、Rf6,均編碼線粒體PPR蛋白。RF5與GRP162、RFC3互作形成復(fù)合體,加工atp6-orfH79 mRNA,完成育性恢復(fù)[20],而RF6與HXK6互作,形成新的蛋白質(zhì)復(fù)合體[21]。二者育性恢復(fù)通路相互獨(dú)立。

1.3 滇型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系

1965年云南大學(xué)李友錚發(fā)現(xiàn)了云南秈稻與粳稻臺(tái)北8號(hào)的天然雜交不育株,用粳稻紅帽纓回交,1969年轉(zhuǎn)育成滇一型紅帽纓雄性不育系[22]。生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的滇型不育系主要有滇榆1號(hào)A、黎榆1號(hào)A、滇尋1號(hào)A、甬粳2號(hào)A、甬粳3號(hào)A和甬粳67A等。育種工作者利用滇型不育系選育了一批適合云南高原特色的雜交粳稻,如榆雜29、尋雜36和滇雜32,這些雜交粳稻對(duì)稻瘟病抗性較強(qiáng)。寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)院用甬粳系列不育系以“粳不秈恢”模式選育出甬優(yōu)7850、甬優(yōu)1540和甬優(yōu)2640等粳秈交亞種間超級(jí)雜交稻[7]。

1.4 BT細(xì)胞質(zhì)雄性不育系

1966年日本的琉球大學(xué)新城長(zhǎng)友在印度秈稻欽蘇拉包羅Ⅱ (Chinsurah BoroⅡ)(♀)/臺(tái)中65(Taichung 65)(♂)秈粳雜交后代發(fā)現(xiàn)雄性不育株,用該不育株與“臺(tái)中65”(粳稻)連續(xù)回交,選育成細(xì)胞質(zhì)雄性不育系“臺(tái)中65A”。BT型細(xì)胞質(zhì)雄不育系的命名來(lái)源于其雜交組合親本BoroⅡ/Taichung 65的首字母。1972年BT型不育系引入我國(guó),1975年我國(guó)用臺(tái)中65A(♀)/黎明(♂)選育出粳稻BT型不育系黎明A[22]。BT型不育系是我國(guó)雜交粳稻應(yīng)用最廣的細(xì)胞質(zhì)雄性不育類(lèi)型。生產(chǎn)上推廣應(yīng)用的不育系主要有遼5216A、遼30A、武運(yùn)粳7號(hào)A、雙九A等[6]。

BT型不育系屬配子體不育,花藥呈淡黃色,瘦小,不開(kāi)裂,花粉敗育的時(shí)期發(fā)生在二核晚期或三核期,花粉粒呈圓形,有淀粉積累,對(duì)I2-KI液有染色,稱(chēng)為“染敗”。中山大學(xué)遺傳組[23]發(fā)現(xiàn)BT型不育系大部分花粉外部形態(tài)與保持系無(wú)明顯差異,只是極少數(shù)花粉在雙核期和三核期生殖核和核仁變小,有些則在三核期營(yíng)養(yǎng)核退化,核仁變小、核膜消失,形成小?；ǚ邸?/p>

BT型細(xì)胞質(zhì)不育系的不育基因orf79的基因序列與紅蓮型胞質(zhì)雄性不育(CMS-HL)基因orfH-79高度相似,基因編碼差異只有5個(gè)堿基。BT型水稻中,異常的線粒體開(kāi)放閱讀框orf79與加倍的atp6基因共轉(zhuǎn)錄,編碼一個(gè)細(xì)胞毒素肽,這種有毒多肽在小孢子中特異積累,導(dǎo)致配子體的雄性不育[24]。

BT型細(xì)胞質(zhì)不育育性恢復(fù)基因Rf1a和Rf1b,位于典型的Rf-1位點(diǎn),是多基因簇的成員,編碼三角狀五肽重復(fù)蛋白。RF1A和RF1B都定位在線粒體上,它們分別通過(guò)內(nèi)切和降解B-atp6/orf79 mRNA的方式,阻止毒肽的形成,恢復(fù)育性。在裂解mRNA方面,Rf1a上位于Rf1b,而且RF1A除了能裂解B-atp6/orf79 mRNA外,還能促進(jìn)atp6 mRNAs 的編輯[24～25]。

1.5 D1型細(xì)胞質(zhì)雄性不育類(lèi)型

D1型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系是江西宜春市農(nóng)科所以東鄉(xiāng)野生稻的優(yōu)異質(zhì)源,采用野栽交和核置換的方法選育成的孢子體無(wú)花粉型不育系,其花藥退化,敗育徹底。育成的不育系有國(guó)際油占A、油占1A、測(cè)64-7A等[26]。

D1型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的花粉敗育發(fā)生在小孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂期,此時(shí)絨氈層極度空泡化并異常膨大,其降解延遲。D1型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的不育基因orf182是一個(gè)嵌合的線粒體基因,其轉(zhuǎn)錄翻譯的蛋白質(zhì)ORF182能夠促進(jìn)ROS的積累及ATP的還原[27]。

由于恢保關(guān)系與其他細(xì)胞質(zhì)雄性不育系不同,恢復(fù)系難以選育,該型不育系在生產(chǎn)上應(yīng)用較少。

1.6 其他細(xì)胞質(zhì)雄性不育類(lèi)型

印尼水田谷型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系來(lái)源于湖南雜交水稻研究中心張慧廉在印度尼西亞水田谷6號(hào)中發(fā)現(xiàn)的不育株。其用珍汕97B/IR665雜交選育的定型株系與印水珍鼎(糯)A雜交轉(zhuǎn)育成印水型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系Ⅱ-32A[6]。Ⅱ-32A是目前我國(guó)配組組合最多的不育系,選配的雜交組合Ⅱ優(yōu)838是長(zhǎng)江中上游稻區(qū)中秈遲熟組對(duì)照品種[7],推廣面積大,推廣的時(shí)間較長(zhǎng)。印尼水田谷型不育系還有優(yōu)1A、中9A和T98A等品種。

岡型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系是四川農(nóng)業(yè)大學(xué)于1965年用西非晚稻良種岡比亞卡(Gambiaka kokum)做母本與矮腳南特雜交后代不育株回交轉(zhuǎn)育的一類(lèi)不育系[7],主要有岡二九矮7號(hào)A、岡46A、萬(wàn)6A。

D型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系來(lái)源于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所1972年從“Dissi D52/37/矮腳南特”的F7發(fā)現(xiàn)的不育株。育種工作者用意大利B、汕-1和297回交轉(zhuǎn)育成了D珍汕97A和D297A等一批D型細(xì)胞質(zhì)不育系[6]。D型不育系主要有D62A、宜香1A、川香28A等。選育的雜交稻D優(yōu)63推廣應(yīng)用面積較大,宜香優(yōu)2115(宜香1A/R2115)是目前長(zhǎng)江中上游稻區(qū)推廣面積最大的優(yōu)質(zhì)雜交稻。

K型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系是四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻高粱研究所在1986年用云南粳稻品種K52做母本的復(fù)合雜交K/盧紅早1號(hào)、珍新粘2號(hào)的F2分離群體發(fā)現(xiàn)的不育株與豐龍?jiān)?青二矮、盧紅早1號(hào)83N5-80等回交轉(zhuǎn)育成的K青A等一系列不育系[6]。推廣應(yīng)用的不育系主要有K17A和K22A。

矮敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育類(lèi)型是安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院將江西矮桿野生稻中發(fā)現(xiàn)的雄性不育株用協(xié)珍1號(hào)轉(zhuǎn)育成的一類(lèi)不育系[6]。應(yīng)用于生產(chǎn)的矮敗型不育系主要有協(xié)青早A。

上述的印尼水田谷型、岡型、D型、K型和矮敗型5種細(xì)胞質(zhì)雄性不育類(lèi)型的遺傳特性均為孢子體不育,花藥干癟、瘦小,呈水漬乳白色,不開(kāi)裂,花粉敗育的發(fā)生在花粉母細(xì)胞形成至減數(shù)粉裂期,表現(xiàn)為無(wú)花粉或典敗花粉粒。其恢保關(guān)系與野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系類(lèi)似。水稻線粒體和葉綠體基因遺傳多態(tài)性的分析表明,岡型、D型、印尼水田谷型、矮敗型、K型細(xì)胞質(zhì)的線粒體、葉綠體DNA序列與野敗型完全一致。而紅蓮型、包臺(tái)型和滇型細(xì)胞質(zhì)彼此間不相同,來(lái)源于不同的細(xì)胞質(zhì)[28～29]。

2 兩用核不育系的利用

1973年湖北石明松在粳稻農(nóng)墾58中發(fā)現(xiàn)了雄性不育株,1981年兩系法雜交水稻利用的設(shè)想被正式提出[30]。20世紀(jì)80年代,研究人員開(kāi)展了對(duì)農(nóng)墾58不育突變株的育性轉(zhuǎn)換規(guī)律的研究,1985年正式將農(nóng)墾58不育材料命名為“湖北光周期敏感核雄性不育水稻”,即“湖北光敏核不育水稻”。1987年在“863”計(jì)劃雜交水稻專(zhuān)題組會(huì)議上,袁隆平提議用英文字母S(sterile的字首)作為該類(lèi)不育系的標(biāo)志,即在不育系名字末尾加上S,區(qū)別三系雜交稻不育系的符號(hào)A。農(nóng)墾58不育材料被命名為農(nóng)墾58S[30～33]。由于只有不育系和恢復(fù)系兩系,雙親配組自由,不受恢保關(guān)系制約；不需要保持系,避免三系雜交水稻不育細(xì)胞質(zhì)的負(fù)效應(yīng)和單一細(xì)胞質(zhì)可能帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。袁隆平正式提出了我國(guó)雜交水稻從“三系”到“兩系”的發(fā)展戰(zhàn)略[34]。

2.1 光敏核不育系

農(nóng)墾58S在長(zhǎng)日高溫下不育,可進(jìn)行雜交制種,在短日低溫下可育,可自交繁殖。由農(nóng)墾58S轉(zhuǎn)育的光敏核不育系主要有培矮64S、新安S、G-1S、SE21S、7001S、華 201S、N5088S 等。培矮 64S是我國(guó)應(yīng)用面積最大的兩用核不育系,目前,通過(guò)省級(jí)和國(guó)家審定的雜交稻組合有30多個(gè),其中兩優(yōu)培九是我國(guó)第一個(gè)超級(jí)雜交稻組合。

光敏核不育系的育性轉(zhuǎn)換受光長(zhǎng)和溫度控制,石明松[28]用光敏核不育系農(nóng)墾58S進(jìn)行分期播種,發(fā)現(xiàn)單株結(jié)實(shí)率與日照長(zhǎng)度具有高度相關(guān)性(r=0.906 7)。但在長(zhǎng)日低溫下(24℃)農(nóng)墾58S轉(zhuǎn)為可育,而培矮64S等許多從農(nóng)墾58S轉(zhuǎn)育來(lái)的不育系育性主要表現(xiàn)為感溫性,育性感光性不強(qiáng),有的甚至沒(méi)有感光性[35～37]。

光敏不育系農(nóng)墾58S不育性遺傳行為復(fù)雜,有一對(duì)基因、二對(duì)基因等遺傳模式[38]?？刂乒饷艉瞬挥曰蚴莗ms1和pms3。pms1編碼一個(gè)長(zhǎng)鏈非編碼RNA,LDMAR(long-day-specific malefertility-associated RNA),并在長(zhǎng)日條件下高表達(dá)。PMS1T能夠被microRNA2118識(shí)別并介導(dǎo)剪切產(chǎn)生21 nt的phasiRNAs。農(nóng)墾58S pms1剪切位點(diǎn)下游的SNP位點(diǎn)的突變,提高了microRNA2118的剪切效率,使得phasiRNAs大量積累,導(dǎo)致長(zhǎng)日條件下雄性不育[39]。pms3基因同樣編碼一個(gè)含有1 236個(gè)堿基的lncRNA,農(nóng)墾58S中該基因一個(gè)單堿基突變,使得啟動(dòng)子區(qū)域甲基化水平升高,導(dǎo)致長(zhǎng)日條件下LDMAR轉(zhuǎn)錄水平降低,使正處于發(fā)育的花藥提前程序化死亡[40]。

2.2 溫敏核不育系

1987年7月湖南省安江農(nóng)業(yè)學(xué)校鄧華鳳在早秈品系超40/H285//6209-3中發(fā)現(xiàn)了天然不育材料,經(jīng)過(guò)自交繁殖選育成溫敏核不育系安農(nóng)S-1[41]。隨后楊仁崔在IR54輻射誘變的群體中發(fā)現(xiàn)不育株,選育成溫敏核不育系5460S。楊遠(yuǎn)柱在不同生態(tài)類(lèi)型材料抗羅早//4342/0248復(fù)合雜交的F2群體中發(fā)現(xiàn)不育株,并于1998年培育出不育起點(diǎn)溫度最低、育性最穩(wěn)定、種子生產(chǎn)最安全的溫敏核不育系株1S[6]。

安農(nóng)S-1在28℃下的花粉敗育主要發(fā)生在單核花粉期,大部分花粉母細(xì)胞不能正常進(jìn)行減數(shù)分裂,最終產(chǎn)生碎裂的小孢子,形成“典敗型”敗育,但在32.4℃下花粉母細(xì)胞解體,形成“無(wú)花粉型”敗育[42]。安農(nóng)S-1不育與絨氈層發(fā)育異常有關(guān)。電鏡觀察顯示安農(nóng)S-1不育期花藥絨氈層上的烏氏體排列密集,且上面沉積很多物質(zhì)[43]。

溫敏核不育系安農(nóng)S-1和株1S為單基因隱性遺傳,雜交轉(zhuǎn)育不育系快。育種工作者利用雜交轉(zhuǎn)育方法選育了許多溫敏核不育系,目前生產(chǎn)上應(yīng)用的兩用不育系75%左右是溫敏核不育系。溫敏核不育系在生產(chǎn)上應(yīng)用面積較大的有Y58S、株 1S、廣占 63S、C815S、810S、陸 18S、香 125S、1892S、廣湘 24S、準(zhǔn) S、田豐 S、隆科 638S 和晶4155S等。株1S突破了長(zhǎng)江中下游雜交早稻組合選育的技術(shù)難題,其中株兩優(yōu)819被農(nóng)業(yè)部評(píng)為我國(guó)首個(gè)超級(jí)雜交早稻品種。Y58S選配了Y兩優(yōu)900等8個(gè)超級(jí)雜交稻組合,以隆科638S和晶4155S選配的晶兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)534和隆兩優(yōu)華占目前成為我國(guó)雜交稻中的主栽品種[7]。

溫敏核不育育性轉(zhuǎn)換主要受溫度影響,育性轉(zhuǎn)換的敏感期為花粉母細(xì)胞形成至減數(shù)分裂期[35～36]。利用溫敏核不育系制種時(shí)遇上“盛夏低溫”容易使不育系育性發(fā)生反復(fù),導(dǎo)致雜種制種失敗，造成難以估量的損失。因此選育臨界溫度雙低(即引起水稻生殖障礙的生理不育臨界溫度和誘導(dǎo)育性轉(zhuǎn)換的不育臨界溫度均低)溫敏核不育水稻是降低兩系雜交水稻應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑[44]。

不同的溫敏核不育系育性的轉(zhuǎn)換溫度及對(duì)低溫持續(xù)時(shí)間的敏感性存在較大差異,因此選擇溫度穩(wěn)定的特殊生態(tài)條件才能進(jìn)行自交繁殖和雜交制種[45]。溫敏核不育系的繁殖主要利用低溫冷水串灌和海南冬季自然低溫進(jìn)行繁殖。低溫冷水串灌繁殖不育系的技術(shù)存在冷水資源缺乏的問(wèn)題,海南冬季繁殖低溫具有不穩(wěn)定性,這均可影響不育系的繁殖產(chǎn)量等。利用低緯度、高海拔地區(qū)自然低溫條件進(jìn)行溫敏核不育系的繁殖解決了溫敏核不育系繁殖產(chǎn)量低而不穩(wěn)定的技術(shù)難題[46～48]。云南保山等地已成為溫敏核不育系種子繁殖的主要基地。

生產(chǎn)大面積應(yīng)用的溫敏不育系如株1S、香125S、陸 18S、810S、廣占 63S、Y58S、C815S、1892S和廣湘24S等的不育性都是TMS5基因突變引發(fā),TMS5編碼核糖核酸酶RNase ZS1,RNase ZS1能剪切并降解3個(gè)泛素核糖體L40融合蛋白基因UbL40mRNA?；ǚ郯l(fā)育敏感期高溫使得花藥中UbL40mRNA水平上升,在tms5突變體中,RNase ZS1功能缺失,導(dǎo)致UbL40mRNA過(guò)度積累,使花粉發(fā)育受阻,花粉敗育。而野生型中高溫積累過(guò)量的UbL40mRNA能被RNase ZS1裂解,花藥發(fā)育正常,花粉育性可育[49]。溫敏不育基因TMS10編碼一個(gè)亮氨酸受體激酶,高溫條件下TMS10激酶活性在水稻花藥絨氈層的降解過(guò)程中起重要作用[50]。目前溫敏雄性不育基因TMS10并未在生產(chǎn)上利用。

2.3 短光敏核不育系

短光敏核不育系育性轉(zhuǎn)換與光敏核不育類(lèi)型相反,在短日條件下表現(xiàn)為雄性不育,長(zhǎng)日條件下轉(zhuǎn)為可育。1987年高一枝[51]發(fā)現(xiàn)短光敏不育水稻D38S。該不育系不育的臨界光照長(zhǎng)度為13.25 h,對(duì)光周期誘導(dǎo)敏感的時(shí)期為二次枝梗穗原基分化至花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期[52]。

張大兵[53]報(bào)道了短日不育材料csa突變體。CSA(carbon starved anther)不育基因編碼一個(gè)R2-R3型的MYB轉(zhuǎn)錄因子,它能夠直接調(diào)節(jié)花藥中單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因MST8(monosaccharide transporter 8）的轉(zhuǎn)錄。油菜素內(nèi)酯信號(hào)因子OsBZR1可以直接結(jié)合到CSA的啟動(dòng)子上,從而促進(jìn)其表達(dá),使花藥和種子中的糖分含量顯著提高。

短光敏核不育系只能在短日條件下進(jìn)行雜交制種,雜交制種基地和季節(jié)選擇存在一定的限制,目前沒(méi)有選育出實(shí)用的不育系,未在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。

2.4 低溫敏不育系

低溫敏核不育系的育性轉(zhuǎn)換與溫敏核不育系相反,在低溫條件下表現(xiàn)為雄性不育,高溫條件下轉(zhuǎn)為可育。1988年陽(yáng)華秋[54]在優(yōu)質(zhì)晚秈品種3714群體中發(fā)現(xiàn)一自然突變不育株秈型短日低溫核不育系(低溫敏核不育系)。低溫不育系go543S育性主要受溫度控制,育性轉(zhuǎn)換的不育臨界溫度值為29.5℃,對(duì)溫度敏感的部位是幼穗,敏感時(shí)期為花粉母細(xì)胞形成至減數(shù)分裂期[55]。

2.5 濕敏核不育系

濕敏核不育系育性則表現(xiàn)為對(duì)環(huán)境濕度敏感。漆小泉等[56]報(bào)道了一個(gè)新的突變體hms1,其在45%、55%、60%和75%濕度下的結(jié)實(shí)率分別為0、7.3%、21.9%和72.2%,而野生型的結(jié)實(shí)率約為80%；其在濕度高于80%的環(huán)境中則育性表現(xiàn)為完全可育。

濕敏核不育基因OsOSC12/OsPTS1編碼的三萜合酶能夠催化產(chǎn)生一種二環(huán)三萜化合物“禾谷絨氈醇”,亞麻酸與棕櫚酸或硬脂酸的混合物能有效地降低脂肪酸的含量,防止變異花粉粒過(guò)度脫水,該基因功能缺失導(dǎo)致花粉包被中棕櫚酸和亞麻酸的含量明顯降低,并且完全缺少硬脂酸,使花粉粒得不到有效保護(hù)而迅速失水,最終不育[56～58]。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展,利用基因編輯技術(shù)(CRISPR-Cas9)可以快速創(chuàng)制新的光溫敏核不育材料,如利用溫敏核不育基因TMS5(ptgms2-1)、短光敏核不育基因CSA等育性相關(guān)基因進(jìn)行編輯創(chuàng)制新的光溫敏核不育材料[59～63]。目前,基因編輯的不育系并沒(méi)有在生產(chǎn)上利用,主要原因是育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度大多偏高,育性穩(wěn)定性有待改善,另一個(gè)原因是轉(zhuǎn)基因政策等因素的限制。

3 隱性核不育系的利用

隱性核雄性不育系的不育性受隱性核基因控制,不受光溫等環(huán)境影響,表現(xiàn)為終身不育。目前,在水稻中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量隱性核雄性不育材料?！盁o(wú)花粉型”隱性核不育株cyp704B2的不育基因cyp704b2主要在絨氈層中表達(dá),其編碼的蛋白質(zhì)屬于細(xì)胞色素P450家族,在脂肪酸代謝中起重要作用。該基因功能缺失后絨氈層發(fā)育缺陷,烏氏體相對(duì)可育株變少,導(dǎo)致小孢子缺乏足夠的孢粉素,花粉囊和花粉外壁發(fā)育受阻,最終花粉敗育[64]。OsNP1編碼葡萄糖-甲醇-膽堿氧化還原酶,在絨氈層和氣孔中特異表達(dá),影響絨氈層退化和花粉外壁形成。其功能缺失后絨氈層同樣不能形成成熟的烏氏體,導(dǎo)致水稻無(wú)花粉型敗育[65]。

脂質(zhì)代謝在雄性育性發(fā)育中起關(guān)鍵作用,其相關(guān)基因缺陷通常會(huì)引發(fā)隱性雄性不育[66]。此外,小孢子母細(xì)胞發(fā)育相關(guān)基因MSP1、絨氈層發(fā)育相關(guān)基因TDR、UDT1以及花粉囊壁蠟質(zhì)形成相關(guān)基因Wda、DPW等功能缺失后都能導(dǎo)致水稻雄性不育[67～73]。

隱性核不育類(lèi)型利用的最大難度是不育系種子的繁殖,因?yàn)檫@類(lèi)不育系找不到對(duì)應(yīng)的保持系,花粉發(fā)育期的光溫等生態(tài)環(huán)境條件也不能使不育系育性發(fā)生轉(zhuǎn)換。美國(guó)杜邦先鋒公司[74～75]利用玉米隱性核不育突變材料,將隱性核不育對(duì)應(yīng)的野生型基因、花粉致死(敗育)基因和紅色熒光篩選基因構(gòu)建一個(gè)連鎖的元件轉(zhuǎn)入隱性核雄性不育突變體中,創(chuàng)制了一個(gè)隱性核雄性不育突變體的保持系。利用該保持系自交繁殖或者與隱性核不育系授粉實(shí)現(xiàn)隱性核雄性不育繁殖的種子生產(chǎn)技術(shù),其繁殖的不育系和配制的雜交組合不含遺傳轉(zhuǎn)化元件,屬非轉(zhuǎn)基因品種,有效地回避了植物轉(zhuǎn)基因的政策限制。2010年鄧興旺等[76]用水稻隱性核不育突變體ms26/ms26(武運(yùn)粳7號(hào))轉(zhuǎn)化3個(gè)緊密連鎖的基因,即野生型雄性可育基因Ms26、花粉失活基因(Zm-aa1)和標(biāo)記篩選基因(DsRed2),率先在水稻中實(shí)現(xiàn)了隱性核不育系的批量繁殖。2016年唐曉燕等[65]用EMS誘變黃華占獲得了Os-NP1突變的隱性核不育突變體Osnp1,然后用野生型基因OsNP1、Zm-aa1、DsRed2構(gòu)建了Osnp1可穩(wěn)定遺傳的保持系圳18B。其繁殖的不育系圳18A通過(guò)了廣東省種子管理站組織的專(zhuān)家鑒定,選配的組合圳18A/雅恢2115、圳18A/R278分別在四川、廣東完成了區(qū)試。李莉等[77]利用CRISPRCas9技術(shù)以9311為背景獲得CYP703A3功能缺陷的隱性核不育株系931103a3；然后將RF1b上的線粒體信號(hào)肽序列融合到紅蓮型細(xì)胞質(zhì)不育基因orfH79上,構(gòu)建了新的花粉致死基因；在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了新的“第三代”雜交水稻保持系9311-3B,并用其不育系9311-3A選育了多個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合。該體系創(chuàng)造性地利用細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因,擴(kuò)大了花粉致死基因的選擇范圍,也提示了其他細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因在“第三代”雜交水稻的應(yīng)用潛力。

前述的“第三代”雜交水稻保持系的標(biāo)記基因DsRed2是一個(gè)源于珊瑚的紅色熒光蛋白基因,需要通過(guò)熒光分選機(jī)器將不育系種子和保持系種子分選開(kāi)來(lái),存在一定的漏選風(fēng)險(xiǎn)。2021年唐曉燕等[78]通過(guò)沉默水稻胚乳特異表達(dá)葡萄糖焦磷酸化酶基因,構(gòu)建了新的隱性核不育系繁殖技術(shù)體系。該體系繁殖生產(chǎn)的雄性不育種子具有正常的胚乳,但保持系種子受胚乳特異表達(dá)葡萄糖焦磷酸化酶基因沉默的影響,胚乳萎縮,重量變輕,通過(guò)重力風(fēng)選機(jī)可分選出不育系種子。相較于熒光分選,這種分選方法分選準(zhǔn)確度、效率有明顯提高,且成本也顯著降低。

4 展望

在水稻雜種優(yōu)勢(shì)的利用中,大量應(yīng)用于生產(chǎn)的雄性不育系主要有細(xì)胞質(zhì)雄性不育系、兩用核不育系和隱型核不育系。我國(guó)的雜交水稻利用經(jīng)歷了“三系法”“兩系法”和“第三代”雜交水稻的發(fā)展歷程?！叭捣ā焙汀皟上捣ā彪s交水稻的成功應(yīng)用,為我國(guó)糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn),“兩系法”雜交水稻推動(dòng)了我國(guó)水稻生產(chǎn)的超高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、綠色和輕簡(jiǎn)化的發(fā)展,它克服了“三系法”雜交水稻不育系細(xì)胞質(zhì)單一和恢保關(guān)系限制雜交配組資源限制的難題。但“兩系法”雜交水稻不育系育性易受光溫等環(huán)境因素影響,如溫度變化可使不育系育性轉(zhuǎn)換,因而存在雜交制種失敗的風(fēng)險(xiǎn)。隨著智能不育技術(shù)的發(fā)展,利用隱性核不育系的“第三代”雜交水稻在作物雜種優(yōu)勢(shì)利用的優(yōu)點(diǎn)在于它既克服了細(xì)胞質(zhì)雄性不育系受恢保關(guān)系限制而在雜種優(yōu)勢(shì)利用時(shí)資源利用受限的難題,也避免了光溫敏核不育類(lèi)型育性受光溫調(diào)控,尤其是溫度變化無(wú)常給雜交制種和不育系繁殖帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。水稻雄性不育系在雜種優(yōu)勢(shì)利用中關(guān)鍵是要解決不育系種子的繁殖技術(shù)和不育系育性穩(wěn)定性,隱性核不育系的不育性穩(wěn)定,雜交配組自由,利用其選育的“第三代”雜交水稻將為我國(guó)水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用提供新時(shí)代的核心競(jìng)爭(zhēng)力。