中国杂交水稻研究进展
作者：** 指导老师：***
摘要：中国是世界上第一个利用水稻杂种优势的国家，1984年杂交水稻的种植面积达820万公顷, 占全国水稻总面积的四分之一。中国在生产上成功推广杂交水稻之后，才引起全世界的足够重视。目前我国应用的杂交水稻生产方法有两种：三系法和两系法。本文综述了近年来这两种方法的发展现状，并对当前存在的问题提出了一些建议。 关键词：杂交水稻；三系法；两系法
Advances in hybrid rice in China
Author:** Tutor:***
Abstract：China is the first country in the world to exploit heterosis in rice commereially. In 1984 cultivation area of hybrid rice reached 8.2 million hectares, accounting for one fourth of the total area of rice. Heterosis caused enough attention around the world only after the successful promotion of hybrid rice production in China. There are two ways to produce hybrid rice in China at present: three-line method and two-line method. This paper reviews the development status of these two methods, and put forward some suggestions for current problems. Key words：hybrid rice；three-line method；two-line method
中国自袁隆平于1964年从洞庭早籼、胜利籼等品种中发现雄性不育株后开始杂交稻的选育研究。1970年，李必湖从海南崖县普通野生稻群落中，找到花粉败育株（简称野败）[1]。1972年利用野败这一材料育成珍籼97A、二九南1号A等不育系[1]。1973年测得IR244、
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IR661、泰引1号等恢复系，从而实现三系配套。后石明松、张自国等人均发现了光（温）敏感核不育水稻[1]。在低温或长日照处理下表现不育，高温短日照处理又能正常结实。从而做到一系两用，省去了三系法中的保持系。育种工作者成功育成了N5088S(农垦58S/农
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虎26)、7001S（农垦58S/917）、培矮64S(农垦58S/培矮64)等一批光温敏不育系。两系法因此而诞生，并开始普及使用。本文介绍了三系法和两系法各自的优缺点，以及它们的发展中的机遇和挑战。 1 三系法
三系法制种所指的三系是：不育系、保持系、恢复系。水稻的雄性生殖器官花粉发生退化或败坏,甚至引起花药的退化、猥琐、畸形和丧失开裂能力等,使水稻不能自花授粉、结实,具有这一不育性能的叫水稻雄性不育系（简称不育系）。将其花粉授给雄性不育系,使不育系能结实,并能保持雄性不育的父本就是这个雄性不育系的保持系。通过授粉杂交,使不育系雄性器官能恢复生育能力的父本材料,叫恢复系。袁隆平早在1964年就发现了水稻雄性不育株，但是直到1973年才成功地实现了三系配套[2]。三系法制备杂交种的思路是：不育系与保持系杂交，不育系植株上收到的种子是不育系，保持系植株上收到的种子仍然是保持系，这一环节称为不育系的繁殖。不育系与恢复系杂交，不育系植株上所结种子作为生产田的杂交种，恢复系植株上收到的种子仍是恢复系[3]。 1.1 三系法育种几个阶段
我国三系杂交稻以其强大的生命力普及全国,走向世界, 一直居国际领先地位[4]。在类型上一直以杂交中籼为主。从应用面积最大的杂交籼稻育种看, 22年来进行了三次较大的组合更新。第一次是当家组合筛选阶段。1973-1980年, 以二九南1号A、二九矮4号A、珍汕97A、V20A、71-72A 这5个不育系。这是我国利用野败株育成的第一批野败细胞质不
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育系。同时,育种工作者于1973年育成一批恢复系品种,如IR661、泰引1号、IR24等强恢复系[3],1974年育成IR26[6]。1976-1980 年。以二九矮4号A、珍汕97A、V20A等不育系和IR24等恢复系为主配组十多个组合,1980年曾推广到46.66多万hm2,这是我国选配的第一批杂交稻组合。由于有的组合丰而不抗或丰而不稳(不耐高低温) , 其中南优、四优、矮优2、3号及其不育系逐步被淘汰,至1981年后形成以汕优、威优2、6号及其不育系珍
汕97A、V20A,恢复系IR24、IR26为主的局面[4]。
第二次是80年代中期的更新阶段。1982年三明市农科所育成的明恢63恢复系, 继而推出汕优63参加全国1982-1983年中、晚两组区试,产量突出,平均比汕优6号增产1112kg/hm2,中抗两病一虫,适应性广,1984年试种,1985年达39万hm2 ,1986年增到257万hm2,翻了6番,1990年前后达到年种植666万hm2以上。占据杂交籼稻的半壁江山,以不同不育系配组的63个组合,合计每年也在67万hm2左右。由此形成生产上组合的高度单一和抗性下降[2]。此外还有测64-7和桂33等恢复系也应用于水稻杂交配组[7]。
第三次是80年代后期至90年代初,多类型,多熟期,多抗性组合配套阶段。此期间, 我国恢复系育种处于徘徊局面,难以有恢复系突破明恢63,90年代初期以后我国在恢复系选育上进行了一些新的探索。一是籼粳亚种间杂交选育中间偏籼或中间偏粳型恢复系。采取籼粳籼、粳籼粳等复交方式,在籼稻恢复系中渗入一定比例的粳稻血缘,在粳稻恢复系中渗入一定比例的籼稻血缘,部分利用亚种间杂种优势, 取得了显著成效。二是将广亲和基因导入恢复系,扩大双亲遗传差异,提升杂种优势水平。三是复合杂交和聚合杂交选育不含或少含明恢63血缘的高配合力恢复系。四是将远缘有利基因转入恢复系中。另外，为克服不育系单一化,又育成一批异交率高,米质改良的新质源不育系,在生产上应用面积大的有安徽的矮败型协青早A、四川的冈型、D型、K型不育系及野败型龙特普A、金23A等,但85%以上仍是野败细胞质,而且上述新质源的恢保关系和野败一样,难以对恢复系资源扩大利用。
尽管选育的组合及其双亲历经了三次更新,但目前汕优63仍连续12年成为全国面积最大的组合。明恢63仍是应用最广的恢复系。据福建农科院谢华安院长在最近海南两系稻育种年会上报告,年种植面积66.66万hm2以上的只有3个组合,其中汕优63有400余万hm2,汕优64有86万hm2,冈优22有71.6万hm2。种植33.33-66.66万hm2的有7个组合, 26.66
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万hm的有3个组合,6.66万hm以上的有12个组合。 1.2应用于三系法的新技术
1.2.1分子标记辅助选择育种 分子标记辅助选择技术是现阶段比较实用的另一项育种辅助技术。它具有四大优点[8]：分子标记辅助育种可针对质量性状的选择、分子标记辅助育种可针对数量性状的选择、分子标记辅助育种不存在安全隐患、分子标记辅助育种是直接在DNA水平上选择差异。大大提高了育种效率。我国许多科技工作者利用这项技术已成功选育出具有抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆境和高产优质的水稻株系和品种。如邓其明[9]等通过常规回交育种结合分子标记辅助选择技术,已将来自IRBB24的2个抗白叶枯病基因,Xa21和Xa4,聚合到感病的杂交稻恢复系绵恢725中通过分子标记检测目标基因和亲本遗传背景差异分析快速获得了4个高机白叶枯病的恢复系姊妹系。
1.2.2分子设计育种 设计育种(breeding by design)由荷兰的Peleman和van der Voort于2003年提出, 相关论文发表在Trends in Plant Sciences上,并申请了\design\个字的注册商标[10]。他们提出的设计育种概念旨在控制重要农艺性状基因的所有等位性变异。设计育种包括标记辅助选择、标记辅助育种及设计育种; 通过精细遗传定位、高饱和染色体片段系的构建和表型鉴定, 最终实现设计育种[10]。中国水稻研究所专家提出基因设计育种将成为第三次水稻育种的突破口这一新观点,并提出水稻基因设计育种就是建立在水稻全基因组测序工作已经完成的基础上,对有利基因进行剪切、聚合和改良,以培育在产量、品质、抗逆性等多方面都具有强优势的超级稻新品种[11]。
总之,基因设计育种是指从基因、表达、细胞层次上研究生物体(农作物品种)所有成分的网络互作行为和生长、发育过程及其对环境反应的动力学行为,并了解其作用机制,继而使用各种组学(基因组、转录组、蛋白质组、结构基因组、代谢组、生理组、生物信息)数据,在计算机平台上建模、预测和验证,构建出符合育种目标的品种设计蓝图,最终结合育种技术实践(包括分子育种技术)培育出符合设计要求的农作物新品种[12]。
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1.3三系法存在的问题及建议
(1)我国杂交稻不育系和恢复系多,但细胞质源有限。单一质源应用不仅影响杂交稻抗性,米质和制种产量等性状进一步提高,还可能蕴藏毁灭性病虫害大发生的危害性。因此我们需要从全国各地的种质资源中大力发掘新的抗病虫、抗倒伏、抗旱等抗逆基因,增产基因,高光效基因,优质基因,早熟基因,化学标记基因,广亲和基因,雄性不育及其恢复基因等有益基因。
(2)我国杂交水稻配套栽培技术落后,我国的三系杂交水稻组合已经更新了好几代,新品种不断出现。但是现在很多地方农民使用的技术还是很久之前的技术,严重影响了杂交水稻产量的提高。先进的栽培技术应该尽快向农民推广，做好农民的思想工作，让他们更欣然地接受先进而且有效的栽培技术。由于这些栽培技术可能需要用到比较大型的农业机械，政府应该对农民购买农业机械进行一定程度的补贴。
(3) 研究基础理论的人和搞田间育种的人完全脱节。大部分理论研究者都是埋头于实验室研究，很少进行田间试验证明自己的理论能否应用到实践中去；另一方面，部分基层工作者长期从事田间试验，缺乏理论知识，他们的工作有时是盲目的。针对这一现象，应该对基层工作者进行全面的理论培训。这样育种才能更加高效地进行下去。
(4) 三系法的育种程序和生产环节比较复杂,以致选育新组合的周期长、效率低，推广的环节多、速度慢，同时种子的成本高、价格贵，这些都是三系法杂交种在种植面积和单产提高上受到限制的内在不利因素。所以，从作物杂种优势育种的长远战略上考虑，我们可以设法探索各种新的技术路线，以期采用较简易而效率更高的方法来取代三系法。 1.4三系法今后的工作重点和目标
从全国杂交中籼1991-1997年新组合联合区试结果看,6年全国区试参试74个组合中,比对照汕优63增产的组合12个只占16.2%,增产幅度也不大。增产1%以下、1.1% -3%、3.1%-5.76%各占1/3。抗病性及米质也无大的改观,表明全国种植面积最大的三系杂交中籼虽育成一批略胜于汕优63的新组合,但产量、抗性、米质均无大的起色。随着人们生活水平的提高，人们对水稻的品质要求也有所提高，这方面的研究将贯穿水稻育种的程序中。因此,寻求利用水稻杂种优势的育种新途径、新技术,使杂交水稻整体育种水平和品种的综合性状有新的突破乃是当今工作的关键所在。分子标记及转基因技术将越来越多地应用到水稻育种中去。 2 两系法
1973年石明松在湖北沔阳沙湖原种场一季晚粳农垦58大田中发现了3株雄性不育株,他利用这3株雄性不育株自然结实的种子,1974年种植了48株,其中有雄性可育株和不育株两种类型[1]。1975年至1980年对不育株进行测交和回交时,发现不育株的再生分囊上能自交结实。分期播种的结果表明育性与光照长度有关。石明松在此基础上提出了利用自然两用系的设想,即在长日高温厂制种,在短日低温下繁殖,一系两用[1]。1986年袁隆平提出利用光温敏两用核不育水稻来进行两系法杂交水稻研究,这一课题被列入国家863 生物领域中的高科技计划。10年来,我国在两系法杂交水稻研究方面取得了长足的进展,选育厂一批两用核不育系,省级审定了7个两系法杂交水稻组合:两优培特、两优培288、两优培山青、两优培余红、7001S×秀水04、7001s×晚恢9号、N5O88S×R187,推广面积20万公顷以上。1995年9月袁隆平院士宣布我国两系法杂交水稻已基本取得成功[13]。 2.1光温敏核不育系的选育
经过众多学者长期研究，认为只要存在一定的光敏温度范围，有明显的育性光周期反应的不育系均可称为光敏不育系，而将育性主要受温度控制的不育系称为温敏不育系。因此，主要分为光敏型和温敏型两大类[14]。对光敏型核不育系来说，根据诱导不育的光照长短不同，该类型进一步可分为两个亚类：一是长日不育类型即通常所说的光敏不育系；二是短日不育类型即反光敏不育系。温敏型核不育系根据诱导不育的温度高低也可分为两个
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亚类：高温不育型即通常所说的温敏不育系，二是低温不育型即反温敏不育系。此外，温敏型核不育系又可再分出一个光温互作型，其育性效应是光温互作效应的结果，并且将该类型再分为两个亚类：光温型和温光型。还有学者认为温光影响光温敏雄性不育水稻的育性转换不仅决定不育基因本身，还与遗传背景有关，还可将光温敏核不育系分为低温强感光型、高温弱感光型、高温强感光型和温光弱感型，并指出“温光弱感型光温敏核不育系”为理想的实用型光温敏核不育系[15]。
刘宜柏等[16]通过实验发现光敏：短光照诱导可育,需长于6小时的光照,长光照诱导不育光长可达18小时以上。并需要一定的昼夜节奏。在诱导育性转换的作用中,暗期的作用比光期更重要。即短暗期诱导不育,长暗期诱导可育。而温敏型两用核不育系育性转换的特性是：育性转换主要是受温度所控制,光照长度只起修饰作用或无作用。即具有较高温度下不育,较低温度下可育的特性。
[17、18]
我国光温敏核不育系的选育经历了摸索、调整和理性化三个阶段。至1997年底,我国已有20多个雄性核不育系通过技术鉴定或审定。通过对新育成的不育系进行多点生态适应性鉴定,筛选出一批实用的光、温敏雄性不育系“7001S”、“5088S”、“培矮64S”、“测64S”、“HS-3”、“GD2S”、“穗35S”、“蜀光125S”、“N95076S”、“570S”、“399S”、“133S”等不育系表现育性稳定、配合力、可繁性较好。并确定了这些不育系利用的地理范围,其中安徽选育的“7001S”、湖北的“5088S”、湖南的“培矮64S”等是目前国内应用面积最大、应用效果最好的三个不育系,到1997年利用面积分别在6.67万hm2以上,基本上可覆盖长江流域和华南的水稻种植区。 2.2 两系法杂交水稻新组合的选配
1994年70优9号（皖稻24）、70优04（皖稻26）和两优培特分别通过安徽省和湖南[19]
省审定，此后通过省级审定的两系杂交水稻不断增加，截至2010年年底，共有427个组合（粳稻26个，籼稻401个）通过审定。2001年两优培九等4个两系杂交水稻组合首批通过国家审定[14],到2010年通过国家审定的两系组合达到62个[20]。其中，粳稻5个，占审定的两系粳稻组合总数的19.2％；籼稻57个，占审定的两系籼稻组合总数的14.2％。对审定组合的育成单位进行分析，34个省级及以上院校育成（包括合作育成）的211个组合通过审定，占审定的427个两系组合的49.4％；34个地市农业科学研究所育成和合作育成85个组合占19.9％，82个种子公司（个人）独立或合作育成205个组合占48.0％。（累计数大于审定总数是因为有一些组合是合作育成的）。国家审定的两系组合中，16个种子公司育成或合作育成33个组合，占全部62个组合的53.2％，14个省级科研院校育成和合作育成28个组合占45.2％，9个地市级科研单位育成与合作育成12个组合占14.5％。冠名超级稻的两系品种中，5个种子公司独立或合作育成8个超级稻，9个省级科研院校独立或合作育成10个组合，1个地市级科研单位育成1个组合。值得注意的是，进入21世纪后，种子公司逐渐成为两系杂交水稻的重要育种力量，2006年以后审定的301个两系组合中，种子公司育成（或参与育成）170个，占同期审定组合的56.5％。 2.3目前我国两系法杂交水稻发展中存在的问题及建议
(1) 全国两系法杂交水稻发展还不够平衡，各省、地、县间快慢不一,现有组合类型不够丰富,已推广的组合工程化水平不高,使产量潜力未能有效发挥等因素,都限制了两系稻的发展。因此，我们需要加强强优组合的选配和鉴定筛选,加强高产、节本、繁制种技术及高产栽培技术研究,提高种子的比较效益,进一步发挥组合增产潜力,逐步实现高产出、高效益、低成本、低种价。
(2) 不育系的遗传背景较窄，不育系的育性稳定性存在缺陷。光、温敏不育系虽然有一系两用,不需保持系,产种程序简化的优点,但由于育性受光温环境交互作用,不育性稳定性存在差异，另外适应性也因各地生态环境不同有一定局限性。故，不育系的选育需要因地制宜地制定目标，并尽可能地选育适应性广的品种。同时还要加强光温敏核不育新资
３
源的发掘与鉴定。
(3) 两系杂交稻的制种成本高。由于光温敏核不育系原种繁殖的生态条件限制，还有些不育系与恢复系的异交结实率偏低，导致制种产量低。这些原因导致了不育系原种的生产成本高。所以我们还需要解决制种产量低，不育系原种繁殖难的问题。 3 小结与展望
无论是三系法还是两系法，都存在各自的优缺点。因此，今后的工作两种方法可能会相互借鉴。另外高新技术将会为两种方法注入新鲜血液，分子标记辅助选择，转基因技术，分子育种等方法将会越来越多地应用到常规方法中。
另一方面，极具诱惑力的一系法正在悄然兴起。所谓一系法就是指无融合生殖,被认为是固定杂种优势最有前途的方法[21]。无融合生殖是指以种子形式进行繁殖的无性生殖方法(无性种子繁殖),它可使世代更迭但不改变核型,后代的遗传结构与母体相同,因此,通过这种生殖方式可将F1杂种优势固定下来。只要获得一个优良的F1杂种单株。就能凭借种子繁殖, 迅速大面积推广[22]。我国水稻无融合生殖研究早在70年代末就已经开始，目前尚处在探索性阶段[23]，现有的研究尚不能应用于生产。虽然一系法的前景非常诱人，但是，其难度是相当大的。不过日趋成熟的现代生物技术对一系法的研究起到了强有力的促进作用，我们可以将具有无融合生殖特性的远缘物种的遗传物质导入水稻中, 进而筛选水稻无融合生殖种质的探索性试验，一旦寻找到了突破口，相信一系法将会为水稻杂种优势的利用做出巨大贡献。
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