水稻的雄性不育性及其在杂种优势中的利用

梁满中,王 锋,殷小林,肖翡翠,张聪枝,高琴梅,刘伟浩,胡舒畅,陈良碧

(湖南师范大学生命科学学院作物不育资源创新与利用湖南省重点实验室,中国湖南长沙410081)

水稻是我国主要的粮食作物,我国三分之二以上的人口以水稻为主食。在过去的40多年里,水稻杂种优势利用为我国的粮食安全作出了重要贡献。水稻是自花授粉作物,其颖花多且小,无法通过人工去雄的方法生产杂交种。水稻利用杂种优势唯一可行的途径就是利用雄性不育系做母本与恢复系杂交生产杂交种。利用雄性不育系可以省去繁杂的人工去雄程序,提高杂交制种的效率和杂交种子的产量。雄性不育(male sterility)是指植物在有性繁殖过程中雄蕊发育不正常,不能产生正常可育的花粉,正常情况下不能自交受精结实；而雌蕊发育正常,能接受正常可育花粉并受精结实；雄性不育现象在植物中普遍存在,自1763年德国植物学家约瑟夫戈特利布克(Joseph Gottlieb Kolreute)[1]首次观察并报道植物雄性不育的现象起,已有610多种植物被报道了雄性不育现象[2]。

1964年袁隆平在胜利籼中发现雄性不育株[3],自此开启了我国水稻杂种优势利用的序幕。在水稻杂种优势利用中,利用雄性不育系技术的关键是不育系种子的批量繁殖。在我国水稻杂种优势利用中,实用的雄性不育的遗传类型按其繁殖方式有细胞质雄性不育系两用核不育系和隐性核不育系三种主要类型。细胞质雄性不育系需要选育与该不育系核基因相同的保持系来繁殖不育系种子,杂种优势利用需要选育基因纯合的不育系、保持系和恢复系3个系统,通常称为“三系法”杂交水稻。两用核不育系在花粉发育的敏感期,一定的光温条件下花粉表现为雄性不育,可以进行杂交制种；而在另一光温条件下不育系花粉则为可育,可以自交繁殖种子。环境敏感型不育系可以一系两用,在杂种优势利用只需要不育系和恢复系,所以通常称为“两系法”杂交水稻。隐性核不育系的育性表现为不育性稳定,花粉育性不受光温影响而发生育性转换,无法像“两用核不育系”一样自交繁殖不育系种子。在品种资源中无法找到保持雄性不育性的资源选育保持系,不能实现不育系种子生产。但是利用现代生物技术的智能不育技术[4]可以实现隐性核不育系的繁殖,即“第三代”杂交水稻[5]。我国水稻雄性不育系在水稻杂种优势利用中经历了“三系法”“两系法”和“第三代”杂交水稻的发展历程,本文综述了我国杂交水稻主要应用的雄性不育系在水稻杂种优势利用中的发展历程和研究进展,展望了水稻雄性不育系在水稻杂种优势利用的发展前景,以期为我国杂交水稻的创新发展提供参考。

1 细胞质雄性不育系的利用

最早报道细胞质雄性不育系(cytoplasmic male sterility,CMS)的是日本的Weearatne和Sampath,其在日本粳稻“藤坂5号”(Fujisaka 5)与中国红芒野生稻杂交后代发现雄性不育株,然后用“藤坂5号”做轮回亲本回交转育选育成“藤坂5号”细胞质雄性不育系,由于没有找到恢复系,未能应用于水稻杂种优势利用。1966年日本Shinjyo和O’mura用印度籼稻钦苏拉包罗Ⅱ(Chinsurah BoroⅡ)做母本与中国台北粳稻台中65(Taichung 65)杂交,然后用后代群体中发现的雄性不育株与“台中65”连续回交,选育成“台中65A”不育系,实现了不育系的繁殖。“台中65A”不育系育成后,找到了恢复系,实现了“三系”配套。但由于选用的粳稻恢复系与不育系“台中65A”亲缘关系近,杂种优势不强,且又是高秆品种,未能应用于生产[6]。1970年袁隆平的助手李必湖在海南三亚普通野生稻中发现了自然突变的雄性不育株“野败”,利用长江中下游稻区的许多籼稻品种都能保持“野败”的雄性不育性,实现不育系的繁殖。国内育种工作者从东南亚和国际水稻研究所的种质资源中筛选出具有较强恢复能力材料,由此实现了水稻杂种优势利用的“三系”配套[6]。由于选育的不育系与恢复系亲缘关系较远,所以选育的杂交组合(南优2号、汕优2号)表现出很强的杂种优势,“三系”杂交水稻在我国很快就大面积推广应用,为我国的粮食安全做出了巨大的贡献。

根据细胞质来源不同,细胞质雄性不育系可分为野败型、冈型、D型、印尼水田谷型、矮败型、K型、红莲型、包台型和滇型等；根据花粉败育发生的时间不同,其可分为孢子体不育和配子体不育。野败型、冈型、D型、印尼水田谷型、矮败型、K型花粉败育发生在花粉母细胞形成至减数分裂期,属孢子体不育。红莲型、包台型和滇型等花粉败育发生在二核或三核花粉期,为配子体不育。野败型细胞质雄性不育系是水稻杂种优势利用中应用最早、应用面积最大的细胞质雄性不育类型[6]。

1.1 野败型细胞质雄性不育系

1970年11月,袁隆平的助手李必湖在海南南红农场的普通野生稻群中发现一株花药瘦小、淡黄色、不开裂、花粉育性表现为典败的雄性不育株,命名为“野败”。长江流域早籼品种和“野败”杂交,后代能保持“野败”雄性不育特性。袁隆平利用“二九南1号”与“野败”连续回交选育出“二九南1A”,颜龙安用“珍汕97”转育出“珍汕97A”,实现了野败型雄性不育系的大量繁殖。随后,育种工作者育成了威20A、金23A、博A、龙特浦A、川香29A、天丰A、粤丰A等在生产中大面积推广应用的不育系。“珍汕97A”是我国杂交水稻历史上应用面积最大的不育系[7]。

“野败”细胞质雄性不育系属孢子体雄性不育,花粉败育发生在花粉母细胞形成期,通常不能形成花粉粒,即“无花粉型”败育。湖南师范学院生物系[8]通过对南广占系C35171、南陆矮系D31134、68-899系等“无花粉型”不育株进行观察,发现有造孢细胞分裂异常、花粉母细胞减数分裂异常、四分体以后退化3种败育方式。湖南师范学院生物系[9]对“野败”二九南1号和湘早矮等不育系进行观察,发现绒毡层细胞与花粉粒一起退化消失。潘坤清等[10]观察野败型不育系珍珠矮不育系(BC6F1)等发现在花粉发育的单核后期,中间层细胞液泡化导致绒毡层破坏消失。此时败育的花粉已形成一个典型的花粉形态,因此称为“典败型”花粉败育。野败型细胞质雄不育系不育性稳定,如金23A、丰源A在自然高温条件下,不会出现育性波动[11～12]。

野败型细胞质雄性不育基因为线粒体基因WA352,它由3个线粒体开放阅读框 orf284、orf-224、orf288和1个短SUO组成。该基因编码的蛋白质WA-352在花粉母细胞期的花药绒毡层中大量累积,并与核基因编码的线粒体蛋白质COX11发生相互作用,抑制COX11在过氧化物代谢中的功能,触发绒毡层过早程序性细胞死亡,导致随后的花粉败育[13]。

野败型细胞质雄性不育系选育成功后,水稻育种工作者利用我国主要稻区的水稻品种进行了大量测配,没有发现强恢复能力的品种资源。1973年广西农学院的张先程率先在东南亚和国际水稻研究所的品种资源中发现了“泰引1号”和“IR24”具有强恢复能力和强杂种优势的种质,随后全国水稻育种工作者通过广泛测交又筛选出“IR661”“古154”等具有强恢复能力和强杂种优势的种质资源。袁隆平利用“二九南1A”、颜龙安用“珍汕97A”分别与“IR24”测配,成功选育“南优2号”和“汕优2号”。谢华安用IR30(♀)与圭630(♂)杂交,选育出强恢复系明恢63,用明恢63与“珍汕97A”选育成的汕优63是我国应用范围广泛、应用面积最大和推广时间最长的杂交水稻品种[7]。

野败型细胞质雄性不育系育性恢复基因Rf4编码一个线粒体定位的PPR蛋白,通过抑制WA-352转录来发挥作用。RF4可降解双顺反子rpl5-WA352和单顺反子WA352转录本。育性恢复的杂交稻中恢复基因Rf4能使WA352转录本的丰度降低到约20%,从而使野败型细胞质雄性不育育性恢复正常[13]。

1.2 红莲型细胞质雄性不育系

红莲型细胞质不育系(CMS-HL)是武汉大学朱英国等利用海南红芒野生稻与早籼品种莲塘早杂交获得的不育株与有保持能力的品种回交,选育的一类细胞质雄性不育系。生产上应用的红莲型不育系主要有粤泰A、丛广41A、竹籼A和珞红4A等。全基因组高通量测序结果发现,珞红3A和珞红4A的第7号染色体上有一段长达408 481 bp的片段缺失,该缺失片段包含了OsNRAMP1和OsNRAMP5[14]。王天抗等[15]在镉重度污染土壤中种植珞红3A和珞红4A,开花期用黄华占(籽粒镉高积累)等品种授粉,收获珞红3A和珞红4A杂交种,杂交种籽粒的镉含量低于0.1 mg/kg,表明珞红3A和珞红4A是镉低积累的品种资源[15]。珞红3A和珞红4A种质资源的应用将为低镉杂交水稻的选育带来新的技术突破。

红莲型细胞质不育系属配子体不育,花药黄色,瘦瘪,不开裂。武汉大学遗传研究室[16]对红芒野生稻和莲塘早杂交选育的红莲型不育系进行观察,发现花粉败育主要发生在单核晚期至二核早期,败育花粉经I2-KI染色后呈中空圆形,称为“圆败型”败育。徐树华[17]在红莲-华矮15不育系中发现,绒毡层细胞出现块状畸形增生,把邻近花粉母细胞推向药室中央,导致花粉母细胞解体。红莲型不育系花粉育性会受温度影响,如粤泰A在育性敏感期遇高温花粉可育度增加[11～12]。

红莲型胞质雄性不育基因orfH79编码一个细胞毒素肽,与细胞核编码的线粒体mtETC复合体Ⅲ的P61亚基相互作用,干扰复合体Ⅲ的活性,使ATP和NADH生成减少,导致雄性不育[18～19]。

红莲型细胞质雄性不育恢复系与野败型细胞质的恢复基因源不同,其恢复基因有Rf5、Rf6,均编码线粒体PPR蛋白。RF5与GRP162、RFC3互作形成复合体,加工atp6-orfH79 mRNA,完成育性恢复[20],而RF6与HXK6互作,形成新的蛋白质复合体[21]。二者育性恢复通路相互独立。

1.3 滇型细胞质雄性不育系

1965年云南大学李友铮发现了云南籼稻与粳稻台北8号的天然杂交不育株,用粳稻红帽缨回交,1969年转育成滇一型红帽缨雄性不育系[22]。生产上推广应用的滇型不育系主要有滇榆1号A、黎榆1号A、滇寻1号A、甬粳2号A、甬粳3号A和甬粳67A等。育种工作者利用滇型不育系选育了一批适合云南高原特色的杂交粳稻,如榆杂29、寻杂36和滇杂32,这些杂交粳稻对稻瘟病抗性较强。宁波市农业科学院用甬粳系列不育系以“粳不籼恢”模式选育出甬优7850、甬优1540和甬优2640等粳籼交亚种间超级杂交稻[7]。

1.4 BT细胞质雄性不育系

1966年日本的琉球大学新城长友在印度籼稻钦苏拉包罗Ⅱ (Chinsurah BoroⅡ)(♀)/台中65(Taichung 65)(♂)籼粳杂交后代发现雄性不育株,用该不育株与“台中65”(粳稻)连续回交,选育成细胞质雄性不育系“台中65A”。BT型细胞质雄不育系的命名来源于其杂交组合亲本BoroⅡ/Taichung 65的首字母。1972年BT型不育系引入我国,1975年我国用台中65A(♀)/黎明(♂)选育出粳稻BT型不育系黎明A[22]。BT型不育系是我国杂交粳稻应用最广的细胞质雄性不育类型。生产上推广应用的不育系主要有辽5216A、辽30A、武运粳7号A、双九A等[6]。

BT型不育系属配子体不育,花药呈淡黄色,瘦小,不开裂,花粉败育的时期发生在二核晚期或三核期,花粉粒呈圆形,有淀粉积累,对I2-KI液有染色,称为“染败”。中山大学遗传组[23]发现BT型不育系大部分花粉外部形态与保持系无明显差异,只是极少数花粉在双核期和三核期生殖核和核仁变小,有些则在三核期营养核退化,核仁变小、核膜消失,形成小粒花粉。

BT型细胞质不育系的不育基因orf79的基因序列与红莲型胞质雄性不育(CMS-HL)基因orfH-79高度相似,基因编码差异只有5个碱基。BT型水稻中,异常的线粒体开放阅读框orf79与加倍的atp6基因共转录,编码一个细胞毒素肽,这种有毒多肽在小孢子中特异积累,导致配子体的雄性不育[24]。

BT型细胞质不育育性恢复基因Rf1a和Rf1b,位于典型的Rf-1位点,是多基因簇的成员,编码三角状五肽重复蛋白。RF1A和RF1B都定位在线粒体上,它们分别通过内切和降解B-atp6/orf79 mRNA的方式,阻止毒肽的形成,恢复育性。在裂解mRNA方面,Rf1a上位于Rf1b,而且RF1A除了能裂解B-atp6/orf79 mRNA外,还能促进atp6 mRNAs 的编辑[24～25]。

1.5 D1型细胞质雄性不育类型

D1型细胞质雄性不育系是江西宜春市农科所以东乡野生稻的优异质源,采用野栽交和核置换的方法选育成的孢子体无花粉型不育系,其花药退化,败育彻底。育成的不育系有国际油占A、油占1A、测64-7A等[26]。

D1型细胞质雄性不育系的花粉败育发生在小孢子母细胞减数分裂期,此时绒毡层极度空泡化并异常膨大,其降解延迟。D1型细胞质雄性不育系的不育基因orf182是一个嵌合的线粒体基因,其转录翻译的蛋白质ORF182能够促进ROS的积累及ATP的还原[27]。

由于恢保关系与其他细胞质雄性不育系不同,恢复系难以选育,该型不育系在生产上应用较少。

1.6 其他细胞质雄性不育类型

印尼水田谷型细胞质雄性不育系来源于湖南杂交水稻研究中心张慧廉在印度尼西亚水田谷6号中发现的不育株。其用珍汕97B/IR665杂交选育的定型株系与印水珍鼎(糯)A杂交转育成印水型细胞质雄性不育系Ⅱ-32A[6]。Ⅱ-32A是目前我国配组组合最多的不育系,选配的杂交组合Ⅱ优838是长江中上游稻区中籼迟熟组对照品种[7],推广面积大,推广的时间较长。印尼水田谷型不育系还有优1A、中9A和T98A等品种。

冈型细胞质雄性不育系是四川农业大学于1965年用西非晚稻良种冈比亚卡(Gambiaka kokum)做母本与矮脚南特杂交后代不育株回交转育的一类不育系[7],主要有冈二九矮7号A、冈46A、万6A。

D型细胞质雄性不育系来源于四川农业大学水稻研究所1972年从“Dissi D52/37/矮脚南特”的F7发现的不育株。育种工作者用意大利B、汕-1和297回交转育成了D珍汕97A和D297A等一批D型细胞质不育系[6]。D型不育系主要有D62A、宜香1A、川香28A等。选育的杂交稻D优63推广应用面积较大,宜香优2115(宜香1A/R2115)是目前长江中上游稻区推广面积最大的优质杂交稻。

K型细胞质雄性不育系是四川省农业科学院水稻高粱研究所在1986年用云南粳稻品种K52做母本的复合杂交K/卢红早1号、珍新粘2号的F2分离群体发现的不育株与丰龙早/青二矮、卢红早1号83N5-80等回交转育成的K青A等一系列不育系[6]。推广应用的不育系主要有K17A和K22A。

矮败型细胞质雄性不育类型是安徽省农业科学院将江西矮杆野生稻中发现的雄性不育株用协珍1号转育成的一类不育系[6]。应用于生产的矮败型不育系主要有协青早A。

上述的印尼水田谷型、冈型、D型、K型和矮败型5种细胞质雄性不育类型的遗传特性均为孢子体不育,花药干瘪、瘦小,呈水渍乳白色,不开裂,花粉败育的发生在花粉母细胞形成至减数粉裂期,表现为无花粉或典败花粉粒。其恢保关系与野败型细胞质雄性不育系类似。水稻线粒体和叶绿体基因遗传多态性的分析表明,冈型、D型、印尼水田谷型、矮败型、K型细胞质的线粒体、叶绿体DNA序列与野败型完全一致。而红莲型、包台型和滇型细胞质彼此间不相同,来源于不同的细胞质[28～29]。

2 两用核不育系的利用

1973年湖北石明松在粳稻农垦58中发现了雄性不育株,1981年两系法杂交水稻利用的设想被正式提出[30]。20世纪80年代,研究人员开展了对农垦58不育突变株的育性转换规律的研究,1985年正式将农垦58不育材料命名为“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”计划杂交水稻专题组会议上,袁隆平提议用英文字母S(sterile的字首)作为该类不育系的标志,即在不育系名字末尾加上S,区别三系杂交稻不育系的符号A。农垦58不育材料被命名为农垦58S[30～33]。由于只有不育系和恢复系两系,双亲配组自由,不受恢保关系制约；不需要保持系,避免三系杂交水稻不育细胞质的负效应和单一细胞质可能带来的潜在危险。袁隆平正式提出了我国杂交水稻从“三系”到“两系”的发展战略[34]。

2.1 光敏核不育系

农垦58S在长日高温下不育,可进行杂交制种,在短日低温下可育,可自交繁殖。由农垦58S转育的光敏核不育系主要有培矮64S、新安S、G-1S、SE21S、7001S、华 201S、N5088S 等。培矮 64S是我国应用面积最大的两用核不育系,目前,通过省级和国家审定的杂交稻组合有30多个,其中两优培九是我国第一个超级杂交稻组合。

光敏核不育系的育性转换受光长和温度控制,石明松[28]用光敏核不育系农垦58S进行分期播种,发现单株结实率与日照长度具有高度相关性(r=0.906 7)。但在长日低温下(24℃)农垦58S转为可育,而培矮64S等许多从农垦58S转育来的不育系育性主要表现为感温性,育性感光性不强,有的甚至没有感光性[35～37]。

光敏不育系农垦58S不育性遗传行为复杂,有一对基因、二对基因等遗传模式[38]。控制光敏核不育育性基因是pms1和pms3。pms1编码一个长链非编码RNA,LDMAR(long-day-specific malefertility-associated RNA),并在长日条件下高表达。PMS1T能够被microRNA2118识别并介导剪切产生21 nt的phasiRNAs。农垦58S pms1剪切位点下游的SNP位点的突变,提高了microRNA2118的剪切效率,使得phasiRNAs大量积累,导致长日条件下雄性不育[39]。pms3基因同样编码一个含有1 236个碱基的lncRNA,农垦58S中该基因一个单碱基突变,使得启动子区域甲基化水平升高,导致长日条件下LDMAR转录水平降低,使正处于发育的花药提前程序化死亡[40]。

2.2 温敏核不育系

1987年7月湖南省安江农业学校邓华凤在早籼品系超40/H285//6209-3中发现了天然不育材料,经过自交繁殖选育成温敏核不育系安农S-1[41]。随后杨仁崔在IR54辐射诱变的群体中发现不育株,选育成温敏核不育系5460S。杨远柱在不同生态类型材料抗罗早//4342/0248复合杂交的F2群体中发现不育株,并于1998年培育出不育起点温度最低、育性最稳定、种子生产最安全的温敏核不育系株1S[6]。

安农S-1在28℃下的花粉败育主要发生在单核花粉期,大部分花粉母细胞不能正常进行减数分裂,最终产生碎裂的小孢子,形成“典败型”败育,但在32.4℃下花粉母细胞解体,形成“无花粉型”败育[42]。安农S-1不育与绒毡层发育异常有关。电镜观察显示安农S-1不育期花药绒毡层上的乌氏体排列密集,且上面沉积很多物质[43]。

温敏核不育系安农S-1和株1S为单基因隐性遗传,杂交转育不育系快。育种工作者利用杂交转育方法选育了许多温敏核不育系,目前生产上应用的两用不育系75%左右是温敏核不育系。温敏核不育系在生产上应用面积较大的有Y58S、株 1S、广占 63S、C815S、810S、陆 18S、香 125S、1892S、广湘 24S、准 S、田丰 S、隆科 638S 和晶4155S等。株1S突破了长江中下游杂交早稻组合选育的技术难题,其中株两优819被农业部评为我国首个超级杂交早稻品种。Y58S选配了Y两优900等8个超级杂交稻组合,以隆科638S和晶4155S选配的晶两优华占、晶两优534和隆两优华占目前成为我国杂交稻中的主栽品种[7]。

温敏核不育育性转换主要受温度影响,育性转换的敏感期为花粉母细胞形成至减数分裂期[35～36]。利用温敏核不育系制种时遇上“盛夏低温”容易使不育系育性发生反复,导致杂种制种失败，造成难以估量的损失。因此选育临界温度双低(即引起水稻生殖障碍的生理不育临界温度和诱导育性转换的不育临界温度均低)温敏核不育水稻是降低两系杂交水稻应用风险的有效途径[44]。

不同的温敏核不育系育性的转换温度及对低温持续时间的敏感性存在较大差异,因此选择温度稳定的特殊生态条件才能进行自交繁殖和杂交制种[45]。温敏核不育系的繁殖主要利用低温冷水串灌和海南冬季自然低温进行繁殖。低温冷水串灌繁殖不育系的技术存在冷水资源缺乏的问题,海南冬季繁殖低温具有不稳定性,这均可影响不育系的繁殖产量等。利用低纬度、高海拔地区自然低温条件进行温敏核不育系的繁殖解决了温敏核不育系繁殖产量低而不稳定的技术难题[46～48]。云南保山等地已成为温敏核不育系种子繁殖的主要基地。

生产大面积应用的温敏不育系如株1S、香125S、陆 18S、810S、广占 63S、Y58S、C815S、1892S和广湘24S等的不育性都是TMS5基因突变引发,TMS5编码核糖核酸酶RNase ZS1,RNase ZS1能剪切并降解3个泛素核糖体L40融合蛋白基因UbL40mRNA。花粉发育敏感期高温使得花药中UbL40mRNA水平上升,在tms5突变体中,RNase ZS1功能缺失,导致UbL40mRNA过度积累,使花粉发育受阻,花粉败育。而野生型中高温积累过量的UbL40mRNA能被RNase ZS1裂解,花药发育正常,花粉育性可育[49]。温敏不育基因TMS10编码一个亮氨酸受体激酶,高温条件下TMS10激酶活性在水稻花药绒毡层的降解过程中起重要作用[50]。目前温敏雄性不育基因TMS10并未在生产上利用。

2.3 短光敏核不育系

短光敏核不育系育性转换与光敏核不育类型相反,在短日条件下表现为雄性不育,长日条件下转为可育。1987年高一枝[51]发现短光敏不育水稻D38S。该不育系不育的临界光照长度为13.25 h,对光周期诱导敏感的时期为二次枝梗穗原基分化至花粉母细胞减数分裂期[52]。

张大兵[53]报道了短日不育材料csa突变体。CSA(carbon starved anther)不育基因编码一个R2-R3型的MYB转录因子,它能够直接调节花药中单糖转运蛋白基因MST8(monosaccharide transporter 8）的转录。油菜素内酯信号因子OsBZR1可以直接结合到CSA的启动子上,从而促进其表达,使花药和种子中的糖分含量显著提高。

短光敏核不育系只能在短日条件下进行杂交制种,杂交制种基地和季节选择存在一定的限制,目前没有选育出实用的不育系,未在生产上推广应用。

2.4 低温敏不育系

低温敏核不育系的育性转换与温敏核不育系相反,在低温条件下表现为雄性不育,高温条件下转为可育。1988年阳华秋[54]在优质晚籼品种3714群体中发现一自然突变不育株籼型短日低温核不育系(低温敏核不育系)。低温不育系go543S育性主要受温度控制,育性转换的不育临界温度值为29.5℃,对温度敏感的部位是幼穗,敏感时期为花粉母细胞形成至减数分裂期[55]。

2.5 湿敏核不育系

湿敏核不育系育性则表现为对环境湿度敏感。漆小泉等[56]报道了一个新的突变体hms1,其在45%、55%、60%和75%湿度下的结实率分别为0、7.3%、21.9%和72.2%,而野生型的结实率约为80%；其在湿度高于80%的环境中则育性表现为完全可育。

湿敏核不育基因OsOSC12/OsPTS1编码的三萜合酶能够催化产生一种二环三萜化合物“禾谷绒毡醇”,亚麻酸与棕榈酸或硬脂酸的混合物能有效地降低脂肪酸的含量,防止变异花粉粒过度脱水,该基因功能缺失导致花粉包被中棕榈酸和亚麻酸的含量明显降低,并且完全缺少硬脂酸,使花粉粒得不到有效保护而迅速失水,最终不育[56～58]。

随着生物技术的发展,利用基因编辑技术(CRISPR-Cas9)可以快速创制新的光温敏核不育材料,如利用温敏核不育基因TMS5(ptgms2-1)、短光敏核不育基因CSA等育性相关基因进行编辑创制新的光温敏核不育材料[59～63]。目前,基因编辑的不育系并没有在生产上利用,主要原因是育性转换的临界温度大多偏高,育性稳定性有待改善,另一个原因是转基因政策等因素的限制。

3 隐性核不育系的利用

隐性核雄性不育系的不育性受隐性核基因控制,不受光温等环境影响,表现为终身不育。目前,在水稻中已经发现了大量隐性核雄性不育材料。“无花粉型”隐性核不育株cyp704B2的不育基因cyp704b2主要在绒毡层中表达,其编码的蛋白质属于细胞色素P450家族,在脂肪酸代谢中起重要作用。该基因功能缺失后绒毡层发育缺陷,乌氏体相对可育株变少,导致小孢子缺乏足够的孢粉素,花粉囊和花粉外壁发育受阻,最终花粉败育[64]。OsNP1编码葡萄糖-甲醇-胆碱氧化还原酶,在绒毡层和气孔中特异表达,影响绒毡层退化和花粉外壁形成。其功能缺失后绒毡层同样不能形成成熟的乌氏体,导致水稻无花粉型败育[65]。

脂质代谢在雄性育性发育中起关键作用,其相关基因缺陷通常会引发隐性雄性不育[66]。此外,小孢子母细胞发育相关基因MSP1、绒毡层发育相关基因TDR、UDT1以及花粉囊壁蜡质形成相关基因Wda、DPW等功能缺失后都能导致水稻雄性不育[67～73]。

隐性核不育类型利用的最大难度是不育系种子的繁殖,因为这类不育系找不到对应的保持系,花粉发育期的光温等生态环境条件也不能使不育系育性发生转换。美国杜邦先锋公司[74～75]利用玉米隐性核不育突变材料,将隐性核不育对应的野生型基因、花粉致死(败育)基因和红色荧光筛选基因构建一个连锁的元件转入隐性核雄性不育突变体中,创制了一个隐性核雄性不育突变体的保持系。利用该保持系自交繁殖或者与隐性核不育系授粉实现隐性核雄性不育繁殖的种子生产技术,其繁殖的不育系和配制的杂交组合不含遗传转化元件,属非转基因品种,有效地回避了植物转基因的政策限制。2010年邓兴旺等[76]用水稻隐性核不育突变体ms26/ms26(武运粳7号)转化3个紧密连锁的基因,即野生型雄性可育基因Ms26、花粉失活基因(Zm-aa1)和标记筛选基因(DsRed2),率先在水稻中实现了隐性核不育系的批量繁殖。2016年唐晓燕等[65]用EMS诱变黄华占获得了Os-NP1突变的隐性核不育突变体Osnp1,然后用野生型基因OsNP1、Zm-aa1、DsRed2构建了Osnp1可稳定遗传的保持系圳18B。其繁殖的不育系圳18A通过了广东省种子管理站组织的专家鉴定,选配的组合圳18A/雅恢2115、圳18A/R278分别在四川、广东完成了区试。李莉等[77]利用CRISPRCas9技术以9311为背景获得CYP703A3功能缺陷的隐性核不育株系931103a3；然后将RF1b上的线粒体信号肽序列融合到红莲型细胞质不育基因orfH79上,构建了新的花粉致死基因；在此基础上创建了新的“第三代”杂交水稻保持系9311-3B,并用其不育系9311-3A选育了多个强优势组合。该体系创造性地利用细胞质雄性不育基因,扩大了花粉致死基因的选择范围,也提示了其他细胞质雄性不育基因在“第三代”杂交水稻的应用潜力。

前述的“第三代”杂交水稻保持系的标记基因DsRed2是一个源于珊瑚的红色荧光蛋白基因,需要通过荧光分选机器将不育系种子和保持系种子分选开来,存在一定的漏选风险。2021年唐晓燕等[78]通过沉默水稻胚乳特异表达葡萄糖焦磷酸化酶基因,构建了新的隐性核不育系繁殖技术体系。该体系繁殖生产的雄性不育种子具有正常的胚乳,但保持系种子受胚乳特异表达葡萄糖焦磷酸化酶基因沉默的影响,胚乳萎缩,重量变轻,通过重力风选机可分选出不育系种子。相较于荧光分选,这种分选方法分选准确度、效率有明显提高,且成本也显著降低。

4 展望

在水稻杂种优势的利用中,大量应用于生产的雄性不育系主要有细胞质雄性不育系、两用核不育系和隐型核不育系。我国的杂交水稻利用经历了“三系法”“两系法”和“第三代”杂交水稻的发展历程。“三系法”和“两系法”杂交水稻的成功应用,为我国粮食安全和经济发展作出了重大贡献,“两系法”杂交水稻推动了我国水稻生产的超高产、优质、绿色和轻简化的发展,它克服了“三系法”杂交水稻不育系细胞质单一和恢保关系限制杂交配组资源限制的难题。但“两系法”杂交水稻不育系育性易受光温等环境因素影响,如温度变化可使不育系育性转换,因而存在杂交制种失败的风险。随着智能不育技术的发展,利用隐性核不育系的“第三代”杂交水稻在作物杂种优势利用的优点在于它既克服了细胞质雄性不育系受恢保关系限制而在杂种优势利用时资源利用受限的难题,也避免了光温敏核不育类型育性受光温调控,尤其是温度变化无常给杂交制种和不育系繁殖带来的风险。水稻雄性不育系在杂种优势利用中关键是要解决不育系种子的繁殖技术和不育系育性稳定性,隐性核不育系的不育性稳定,杂交配组自由,利用其选育的“第三代”杂交水稻将为我国水稻杂种优势利用提供新时代的核心竞争力。