水稻光温敏核不育系的组织培养研究进展

韦永贵++董卓娅++张晓磊++段自林++罗龙

摘 要：中国杂交水稻的研究在世界上处于领先水平，不仅为中国水稻的高产优质发展做出了巨大贡献，也为国际上水稻杂交提供了很多优秀的经验和范例。水稻光温敏核不育是水稻的生物遗传现象，是当前我国的水稻两系种植中最重要的研究领域之一。文章将梳理我国杂交水稻的研究概况，分析了我国水稻育种技术从三系到两系的转变，以及光温敏性不育系的组织培养在其中产生的重要作用、研究成果和研究方向，为我国杂交水稻的进一步研究提供一些启示和思考。

关键词：杂交水稻；水稻光温敏核不育；雄性不育；三系；两系

中图分类号：S511 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170933004

水稻是世界粮食作物中最重要的一种，世界上超过30%的人口以稻米为主食。我国是农业大国，水稻种植历史悠久，稻米一直是中国人民，尤其是南方人民喜爱的主食，我国是亚洲水稻种植的第2大国，水稻年产超过全国粮食等额40%，占商品粮的50%以上，水稻的产量和质量直接关系着人民的温饱、国家经济发展和社会的稳定，所以，加强水稻的高产优质配种研究，是国家政治、经济、社会发展的需要，意义十分重大。

1 水稻杂交优势和中国杂交水稻研究的基本概况

杂交水稻是指选择2个或2个以上在生理遗传上存在一定差异，但某些性能又能实现优势互补的水稻品种进行杂交而形成的水稻新品种。杂交水稻能获得巨大的杂种优势，在水稻的长势、繁殖能力、生活能力、适应性、抗病性、产量、质量等综合状态都超过杂交的双亲，改良了品种，极大地提高了水稻的单产和质量。

获得杂种优势的杂交水稻具有典型的特点：根系发达、穗大粒多、米质好、适应性广、光能利用率高，不仅本身的单产和质量有了巨大提高，整体产量和综合性能也远超过当地的优势品种，对促进当地农业生产发展具有重大意义。

20世纪40年代以来，我国杂交水稻研究在袁隆平科研隊伍的带领下获得了巨大突破。总体来说，我国的水稻研究大致经历了从“三系”到“两系”到“超级稻”的过程，为我国水稻高产优质发展和推动世界水稻杂交的研究做出了重要贡献。

2 水稻的雄性不育研究

水稻是自花授粉的作物，雌雄同花，传粉受精繁殖在同一朵花内进行，一旦雄性器官退化或败育，水稻就无法传粉受精繁殖结果，严重影响水稻的产量，而如果只是雄性器官遭到了破坏或功能退化，雌性器官完好无损，那只要往雌性器官正常传粉就可以完成受精，使水稻正常繁殖发育，这种现象被称为雄性不育，具有这种特征的水稻品种被称为“雄性不育系”。雄性不育现象最早由日本的尾崎于1917年发现，他还提出，水稻雄性不育的原因是隐性遗传，在有关试验的基础上，提出了水稻杂种第2代的育性分离比例：1：2：1。自此以后，国外的很多专家学者对水稻雄性不育的原因和细胞自然突变、远缘杂交、籼粳杂交以及不同水稻品种之间的间杂等多个角度展开了研究。1975年，我国研究者将非洲光身栽培稻作母本与湖北的一种称之为“华矮”早籼稻杂交获得了雄性不育材料，经过更加深入的研究，发现以野生稻为母本、栽培稻为父本更易获得雄性不育株。日本的新城长友在籼粳稻杂交上花费了很多努力，但是研究得出的新品系未能在现实上投产，杂交的优势不明显。经过许多科学家的多年研究，发现雄性材料获得的最关键原因在于选择亲本，最后证实，以中国华南地区的晚籼、云贵高原籼、东南亚籼稻、印度春籼4种作为母本与粳稻杂交获得雄性不育系的几率最高。

不同生态类型水稻品种的杂交、地理上的远距离杂交在我国获得了很大的进步，先后培育出了网型不育系为主的多个不育系，并证实了通过品种间杂交获得雄性不育的几率最高。

水稻雄性不育一般有遗传型和非遗传型2种，用于育种研究的是遗传型。遗传型不育主要包含3个方面的不育：细胞和不育、细胞质不育、质核互作用不育，大量研究表明，单纯的受细胞质决定的不育并未发现，所以专家学者的研究主要集中于细胞核不育和质核互作型2种的不育。我国最早的雄性不育材料被发现于1964年，是袁隆平研究团队获得的成果，是胜利籼中发现的，属于自然突变无花粉型不育材料，是细胞核不育材料，不过没有保持系，所以这种雄性材料不能直接被利用。

1973年，湖北沔阳科学家石明松发现了3株自然不育株，开始了不育株的育性与日照时长关系的研究，1985年，石明松将自己研究的不育材料正式命名为湖北光感雄性核不育水稻，这一研究开启了我国杂交水稻育种的新角度。1987年，袁隆平系统地提出了中国杂交水稻由三系到两系的一系列发展战略构想，两系杂交水稻研究和光温敏不育系被列入国家自然基金的重大项目及863计划。1989年，由于受长江中下游低温的影响，部分光敏性不育系的育性恢复了，科学家对以籼型不育系为主的光温敏性不育系进行了再检验，发现有的光敏性不育系其实是温敏性不育系，从此以后，光温敏系就被分为了光敏、温敏2大类型。光温敏性不育系水稻不断被培育出来，并被分成了3种类型： 光周期敏感不育型、温度敏感不育型、光温互作敏感不育型，并且科学家发现，比起温敏型不育系，光敏型不育系的可操作性更强。目前发现的温敏型不育系有：邓华凤发现的安农S-1（高温雄性不育低温正常可育）、湖南衡阳农科所发现的衡农S-1、福建农科所发现的5460S、R59TS，云南研究员、江西研究员发现的IVA、寻滇IA、宜DSI、DS38S（低温短日照不育、高温长日照可育）等。

根据控制水稻光温敏核的基因，也将光温敏不育系分为5大类：由籼粳稻交从与农垦S5杂交而来的杂交稻，比如W6154；辐射后代获得的光温敏不育系，如5460S；野栽后杂交获得的，比如衡农S-1；籼籼交代而获得，比如安农S-1；籼粳复交的后代中选育而来的，比如新光S之类。据不完全统计，截至2004年，我国已通过省级或省级以上鉴定的光温敏性不育系的种质已超过100个，自此后更是不断增加，极大地丰富了育种市场。endprint

3 水稻光（温）敏核不育系（两系）配套育种技术及其进步性

3.1 三系配套技术的产生及局限性

自1917年日本的尾崎发现水稻雄性不育后，利用水稻品种之间的杂交获得杂种优势获得了各国科学家的普遍重视，雄性不育和水稻杂交的研究逐渐开展起来，但1958年，日本的尾清声还是培育了第1个质核互作型的不育系，1968年新城长友第一次成功育成了粳型杂交稻的三系配套育种，1960年，中国科学院院士袁隆平教授将杂种的制种技术作为一项重要突破口，利用2a时间筛查了14000余穗水稻种子后，终于在4个水稻品种中发现了6株雄性不育材料，在他的《水稻的雄性不育》论文中正式提出了水稻三系法杂交育种思想。

水稻“三系”是指雄性不育系、雄性不育保持系、雄性不育恢复系，“三系配套育种”就是利用少量的雄性不育植株培育一个可以无限增加无限扩大的雄性不育系，然后选一种常规水稻配成能够将雄性不育系的不育特征永远无退化地保持下去的保持系，再选出一种常规水稻作为恢复系杂交，使杂交后代的可育性全面恢复实现自花传粉受精结实，由此得到的F1代种子就可以大规模用于大田生产，水稻杂交的研究获得了巨大突破。

然而，从研究到具体的实际投入生产并不容易，必须要解决不育系、保持系、恢复系的选育问题，我国不育系材料的典型突破是1970年发现的“败野”、1971年江西龙颜安培育的二九矮4号、袁隆平培育的二九南1号、周坤炉培育的71-72不育系以及这些不育系的保持系。1973年，张先程首先发现了强优恢复系IR24，至此，中国籼型三系配套终于实现，中国的杂交水稻正式诞生，对促进我国的水稻生产做出了巨大贡献。但是，在具体的实际操作中，三系配套技术的局限性也越发体现出来，比如制种周期长、效率不高、成本花费大，很难大规模推广。所以，对三系配套技术进行技术革新和改良十分迫切。

3.2 两系配套技术的先进性

两系法就是在三系配套技术的基础上进行的革新和改良，不使用保持系，而是使用光温敏核不育系进行水稻种子的繁制，这样，原先三系中繁杂的利用保持系与不育系杂交取不育系后代育种的环节就被省去了，大大简化了制种程序，节约了时间和制种成本，提高了制种效率。运用了光温敏系的两系法，挣脱了恢保关系的限制，提高了配组的自由度和強优配组的几率，亚种间的杂种优势获得了更有效的利用，大幅度提高了水稻的单产和稻米质量。而且，两系法的父本选择比三系法范围更广更自由，育种的杂交优势可以被反复利用，极大地扩展了杂交水稻的利用范围，对气候类型多样的我国具有重大意义。我国目前比较典型的两系杂交稻有培优288、香125S、香5B、香两优68、两优培九、培两优288、丰两优1号等。

4 两系杂交水稻不育系组培快繁研究

水稻光温敏雄性不育是一种相当复杂的现象，在具体的研究中，发现以温敏为主的很多籼粳型不育系，在某些特定条件下，也表现出光敏不育性，许多光敏不育性的水稻在南方种植时也会表现出复杂的温敏不育性，导致水稻在不同的季节下产量大有不同，所以利用组培方法来优化温光敏材料的育种性能，加快水稻不育系的快繁成为新的研究方向和研究热点，并取得了一定突破。

1999—2001年海南大学的组培实验室和水稻科研基地对此进行了试验，选取了15种两系不育系型基因进行组培培植，发现利用无菌秧苗秧苗在试管内直接培植成大量的水稻秧苗分蘖，并将其分别培养成秧苗，可以省去壮苗生成过程和生根过程，大大简化了育种过程，并且可以大规模商业化种植。

通过组培方法发现，培养基中蔗糖的浓度对水稻繁殖能力有重要影响，为水稻育种培养提供碳源；调节着培养基中的渗透压。经实验证明，蔗糖浓度在9%～12%的时候最有利于秧苗的分蘖，低于6%不利于分蘖，15%时繁殖系数维持在6.0水平，保持培养基中的蔗糖浓度在12%可达到最高的繁殖效果，并且，培养基中的无菌秧苗转接后的20d不会形成根系，只是分蘖，经过不断地消耗蔗糖，渗透压不断降低，转接4周后才开始逐渐形成根系，这样，就大大加快了根系的生长，节约了繁育时间，提高了分蘖效率和质量。

组培方法的选育不育系还发现，水稻根系培育时，激素条件与烟草等已发现的雄性激素的适宜条件有很大不同，海南水稻研究中心经过试验发现，当单独使用低于1.0mL的生长类激素与细胞分裂类激素相配时，绝大部分的组培无菌秧苗无法形成根系，而是植株矮小，长势不良；当生长类激素为0.25mL，配以10.0mL的细胞分裂类激素，秧苗的分蘖最多，而且根系发达，长势良好。这一发现为水稻两系不育系的育种快繁培植打开了新的领域，并从实验室走向市场，正在经受市场的实践检验。

5 结语

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，也是我国必不可缺的主要粮食作物和经济作物之一，加强水稻的育种技术研究，发挥水稻的杂种优势是提高水稻单产，改善水稻质量的重要手段。文章对我国杂交水稻育种技术研究概况、三系到两系的发展过程、对光温敏不育系的研究历程及其组培方法进行了介绍，为促进我国杂交水稻育种技术提供了一些思考和启示，文章的研究具有一定的指导意义。

参考文献

[1]刘忠奇，唐先亮，邓晓娟，张海清.水稻光温敏核不育机理研究进展与展望[J].作物研究，2011（5）.

[2]陈立云，肖应辉.水稻光温敏核不育机理设想及光温敏核不育系选育策略[J].中国水稻科学，2010（2）.

[3]陈立云，雷东阳，唐文邦，肖应辉.两系法杂交水稻研究和应用中若干问题的思与行[J].中国水稻科学，2010（6）.

[4]陈立云，肖应辉.水稻光温敏核不育机理设想及光温敏核不育系选育策略[J].中国水稻科学，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）.

作者简介：罗龙（1976-），云南曲靖，硕士，高级农艺师，研究方向：水稻遗传育种。endprint