兩系法雜交水稻的育種成就與展望

鄭興飛，董華林，郭英，殷得所，王紅波，胡建林，查中萍，曹鵬，徐得澤?

(1 湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所/糧食作物種質創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點實驗室，武漢 430064；2 湖北省農(nóng)業(yè)技術推廣總站，武漢 430072)

作物雜種優(yōu)勢利用是保障世界糧食安全和社會穩(wěn)定的重要手段[1]。到2050 年，全球人口預計將超過90 億，糧食需求將持續(xù)增加，無疑對農(nóng)業(yè)和糧食供給提出了嚴峻考驗。三系法和兩系法雜交水稻是雜種優(yōu)勢利用的兩個重要途徑。三系法雜交水稻受恢保關系的制約，恢復系、保持系和不育系缺一不可，育種程序復雜，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，新組合選育周期長。兩系法雜交稻可以實現(xiàn)一系兩用，大大簡化了育種流程，不受恢保關系的限制，配組更加自由，是繼三系法以后農(nóng)作物育種技術的又一次重大突破。

我國的兩系法雜交水稻和亞種間雜種優(yōu)勢利用研究始于上世紀八十年代，到九十年代后期又開展了超級雜交水稻的研究。在袁隆平院士主持下，1995 年兩系法雜交水稻研究成功并投入應用；到2000 年，先鋒組合在大面積示范種植中達到了農(nóng)業(yè)部制定的中國超級稻育種目標[2]。從農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心檢索發(fā)現(xiàn)，2017 年至今，全國共育成兩系水稻不育系403 個，占育成的不育系總量的58.83%；育成兩系雜交稻國審品種數(shù)719 個，占育成雜交稻品種的57.34%。兩系法雜交稻無論從不育系還是品種審定數(shù)量上，已成為水稻雜種優(yōu)勢利用的主要途徑。

1 光溫敏雄性核不育系的發(fā)現(xiàn)

光溫敏雄性不育系是兩系法雜交水稻的基礎。1964 年，袁隆平從勝利秈中發(fā)現(xiàn)了自然突變無花粉型不育材料，屬于細胞核不育，由于沒有保持系，未能直接利用[3]。1972 年，安徽蕪湖農(nóng)科所研究人員在田間種植的珍龍13 中發(fā)現(xiàn)了自然不育株，并以此材料為基礎定向培育出育性與溫度密切相關的珍龍選不育系，并于1974 年實現(xiàn)兩系法配套，配制出第一個兩系法雜交水稻新組合[4]。但珍龍選不育系的育性不穩(wěn)定，受環(huán)境影響大，未能在生產(chǎn)上大面積應用。

1973 年，湖北省沔陽縣(現(xiàn)仙桃市)沙湖原種場技術員石明松在晚粳品種農(nóng)墾58 中發(fā)現(xiàn)了育性表現(xiàn)與播種期相關的水稻材料，配組表現(xiàn)出一定的雜種優(yōu)勢，且遲播或割蔸再生收獲的種子純度高，由此提出了利用農(nóng)墾58 大田不育株進行一系兩用的構想[5]。1985 年，湖北省農(nóng)業(yè)廳和湖北省科學技術委員會組織湖北省協(xié)作組開始對農(nóng)墾58 不育株進行系統(tǒng)研究。研究結果表明，光照長度是調控其育性的主要因素，溫度起輔助作用，并將該不育材料正式命名為湖北光周期敏感核不育水稻農(nóng)墾58S[6，7]。

1987 年湖南省安江農(nóng)校鄧華鳳發(fā)現(xiàn)一株自然溫敏雄性不育系安農(nóng)S-1；1988 年福建農(nóng)學院楊仁崔在IR54 中發(fā)現(xiàn)了5460S 不育系。與農(nóng)墾58S 不同，這兩個不育系育性主要受溫度高低的影響，日照長度起輔助作用[8，9]，因此，在其不育期可進行制種，在可育期用來自身繁殖，可實現(xiàn)兩系配套生產(chǎn)雜交水稻。

2 兩系不育系的發(fā)展歷程

光溫敏不育系是由核基因控制的雄性不育系，育性轉換受光溫條件的影響，既可自身繁種，又可用于制種，突破了恢保關系限制，可避免不育胞質負效應，配組更加自由，可更快選育出強優(yōu)勢雜交組合。因此，光溫敏雄性不育系種質自發(fā)現(xiàn)以來就受到水稻育種家的極大關注。

自農(nóng)墾58S 被發(fā)現(xiàn)以后，國家自然科學基金重大項目、國家“863”計劃先后投入資金，組織全國優(yōu)勢單位參與研究。1988 年，W6154S、N5047S、3111S和WD1S 等第一批育成的兩系不育系材料通過“863”專家組鑒定。1989 年，育成的17 個核不育系通過省級以上技術鑒定，包括秈型9 個、粳型8 個，其中14 個不育系的核不育基因來源于農(nóng)墾58S[10]。早期選育的不育系受材料來源和研究深度的限制，在實際生產(chǎn)中并未被大規(guī)模推廣利用[11]。1989 年長江中下游稻區(qū)夏季異常低溫造成之前兩系不育系育性恢復，促使育種家們開始重視兩系不育系的育性轉換臨界溫度。1992 年，袁隆平先生提出兩系不育系選育的技術策略，并提出了湖南不育系不育起點溫度為日平均氣溫23 ℃，廣西為24 ℃。育性低溫篩選、人工氣候箱鑒定和多生態(tài)點育性觀察等成為選育實用型光溫敏不育系的重要技術措施[11]。

1991 年，湖南雜交水稻研究中心培育的不育臨界溫度低的秈型實用兩系不育系培矮64S 通過技術鑒定[12]，為兩系不育系組合的選育起到重要的推動作用。1992 年，湖北省農(nóng)科院糧食作物研究所選育的粳型兩系不育系N5088S 通過技術鑒定[13]，配選的晚粳組合鄂粳雜1 號于1995 年通過湖北省品種審定，該品種是第一個應用面積超過1000 萬畝的兩系法雜交稻組合，N5088S 也是應用持續(xù)時間最長的兩系粳型不育系[14]。隨后，一系列有影響的兩系不育系如廣占63S、Y58S、C815S、HD9802S 等[15-18]，以及這些不育系衍生的1892S、新安S、晶4155S、隆科638S 也陸續(xù)被選育出來[19-22]，推動了兩系雜交稻快速發(fā)展。其中“水稻兩用核不育系培矮64S 選育及其應用研究”獲2001 年國家科技進步一等獎，標志著兩系雜交稻在中國即將進入大規(guī)模應用階段。2013 年“兩系法雜交水稻技術研究與應用”獲國家科技進步特等獎，充分肯定了兩系法雜交稻技術的先進性和應用成效的顯著性。

隨著兩系研究的繼續(xù)深入，除了光溫敏兩系不育系外，近年來也有反光敏感和反溫敏不育系被報道，并開始探索其在育種中的應用。例如安徽省農(nóng)業(yè)科學水稻研究所的江建華等利用反溫敏不育系和溫敏不育系創(chuàng)制了永久核不育系，可以充分利用兩系自由配組并避免育性的波動帶來的制種風險問題[23]。高揚等利用反溫敏不育系進行了寒地雜交粳稻的初步實踐[24，25]。劉偉利用CRISPR/Cas9 基因敲除技術，創(chuàng)制了多個30.6℃以上恢復育性的反溫敏不育系[26]。蔡義東和李弘韜對go543S的反溫敏特征進行了系統(tǒng)研究，該不育系的育性由一對主效隱性基因控制，育性轉換溫度為29～30 ℃[27-29]。反光、溫敏不育系與傳統(tǒng)的兩系不育系在臨界光溫條件下的育性轉換方向完全相反，近年有學者在海南冬季和東北、云南正季進行了大田制種的嘗試，有一定的應用價值。

目前，我國的兩系雜交水稻技術居世界領先。美國上世紀80 年代購買了中國的雜交水稻專利，直到2000 年Rice Tech 公司才推出商業(yè)化的雜交水稻品種，主要在阿肯色州等南方地區(qū)種植，占水稻種植面積40%，比常規(guī)水稻增產(chǎn)35%以上。

3 兩系不育系育性基因定位

為充分利用水稻光溫敏核雄性不育(Photoperiod-or Thermos-sensitive Genic Male Sterility，P/TGMS)系，加快兩系不育系分子育種進程，挖掘其育性調控關鍵基因、探究雄性不育分子機理尤為重要。石明松和鄧景揚對農(nóng)墾58S 開展的遺傳學分析發(fā)現(xiàn)，其存在兩對控制P/TGMS的主效基因[30]。大量的基因定位研究表明，目前在不同的P/TGMS 系中已精細定位了6 個PGMS 基因(其中包括2 個反PGMS 基因)和14 個TGMS 基因(其中包括2 個反TGMS 基因)[31，32]，并成功克隆了3 個P/TGMS 基因，包括2 個PGMS 基因pms1和pms3[33，34]，2 個TGMS 基因p/tms12-1和tms5[35，36]，其中pms3和p/tms12-1是分別從農(nóng)墾58S 與培矮64S 中克隆獲得，后續(xù)實驗證實為同一個基因，該基因在不同的遺傳背景下，可能會分別受到光溫條件的調控作用[35]。

分子機理研究發(fā)現(xiàn)，單堿基突變是引起功能變異的來源。pms1上的一個單堿基突變(G 被替換為T)改變了其編碼的長鏈非編碼RNA-PMS1T的二級結構，從而增強了miR2118 對其的識別與切割效率，導致PMS1T的切割產(chǎn)物phasiRNAs(phased small interfering RNAs)在長日照條件下過量積累，而phasiRNAs 很可能會對其下游的靶向雄性不育基因進行剪切或抑制，導致雄性不育的發(fā)生[21]。pms3和p/tms12-1上的一個單堿基突變(G 被替換為C)同樣引起了其編碼的LDMAR的RNA 二級結構發(fā)生改變，造成雄性不育[33，35]。tms5上的一個單堿基突變造成其編碼的RNase ZS1的蛋白質翻譯提前終止，導致功能喪失，不能對其底物UbL40s mRNA 進行降解，導致其過量積累而引起雄性不育[36]。以上已報道的幾個P/TGMS 基因的位置與作用機理各不相同，另外由于水稻P/TGMS 系的育性轉換過程極為復雜，其他大多數(shù)的基因還沒能克隆，這些基因之間的分子調控網(wǎng)絡如何交叉與互作，還有待進一步的探究。

4 兩系雜交水稻育種成就

1994 年，安徽、湖南審定了第一批可應用于生產(chǎn)的兩系雜交稻組合，分別是皖稻24、皖稻26 和培兩優(yōu)特青，在實際生產(chǎn)中應用面積不大。1995 年，湖北省審定的鄂粳雜1 號在當時雙晚稻區(qū)和云南等地得到較大面積推廣應用。至2000 年前，全國通過省級以上審定的兩系雜交稻組合數(shù)量和推廣面積都非常有限[37]。2001—2015 年，兩系雜交稻品種選育和推廣進入快速發(fā)展時期，通過省級以上審定品種達950 余個[37]，推廣面積從1996 年占雜交稻面積不到1%[38]擴大至2016 年的50%左右[38]。從2016—2020 年，兩系雜交稻品種選育則進入井噴時期，5 年時間兩系雜交稻品種審定數(shù)量比前20 年總和還多，達到1 000 余個(www.ricedata.cn)。截至2020 年，農(nóng)業(yè)部冠名的超級稻示范推廣品種133 個(www.ricedata.cn)，其中兩系雜交稻42 個，占31.6%。

目前，在早晚稻育種方面，湖北大學培育的早秈雜交稻兩優(yōu)287、湖南亞華種業(yè)科學研究院培育的早秈雜交稻株兩優(yōu)819 以及湖北省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所培育的晚粳鄂粳雜1 號在生產(chǎn)上得到大面積應用。兩系雜交稻在中秈雜交稻方面突破性品種較多，以培矮64S 為母本，93-11(揚稻6 號)為父本配組的兩優(yōu)培九雜交稻為第一個有重大突破的兩系雜交稻，該品種2001 年通過國家品種審定，在第二年推廣面積即超越三系雜交稻汕優(yōu)63，在當年全國雜交稻種植面積居第1 名，隨后在2003、2005、2006、2007 年的推廣面積也居雜交稻的第1 名[37]。兩優(yōu)培九推廣面積累計超過800 萬hm2，是繼汕優(yōu)63 后推廣面積最大的雜交稻品種，同時，“兩系法超級雜交稻兩優(yōu)培九的育成與應用技術體系”榮獲2004 年度國家技術發(fā)明二等獎。2005 年至今，雜交稻推廣面積最大的品種主要被兩系雜交稻品種壟斷。繼培矮64S 不育系后，廣占63S 及其衍生不育系配組的兩系組合如豐兩優(yōu)1 號、揚兩優(yōu)6 號、豐兩優(yōu)4 號、新兩優(yōu)6326 等以及SE21S 配組的兩優(yōu)688繼續(xù)引領兩系雜交稻強勁發(fā)展勢頭，在產(chǎn)量和品質等方面有所提升，單個品種累計推廣面積66.7 萬hm2以上。2010 年以來，Y58S 配組的兩系組合Y兩優(yōu)1 號、深兩優(yōu)5814 等成為主要的雜交稻推廣品種。在第一代兩系不育系培矮64S 基礎上改良的C815S、1892S 等配組的C 兩優(yōu)華占、徽兩優(yōu)898、在C815S 和Y58S 基礎上改良的新不育系隆科638S、晶4155S 等配組的兩系雜交稻隆兩優(yōu)華占、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)534 等在品種抗病性、抗逆性和廣適性方面均有不同程度的改進，已在生產(chǎn)上大面積推廣應用并取得較好效果。

5 面臨的挑戰(zhàn)與展望

目前廣泛應用的兩系不育系主要以溫敏型為主，育性轉換的臨界溫度多為23～24 ℃。盡管兩系法雜交水稻具有配組自由和育種程序簡化等優(yōu)點，但隨著兩系法不育系應用范圍增加，其在繁殖制種等方面的問題也逐漸凸顯。近年來，隨著全球氣候變暖，極端氣候環(huán)境出現(xiàn)的頻率顯著增加，兩系不育系在制種過程中出現(xiàn)因低溫問題造成育性恢復，導致制種純度大幅度下降，甚至制種報廢的現(xiàn)象時有發(fā)生，給種子企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失。例如，江蘇鹽城是全國重要的兩系雜交水稻制種基地，但在2009—2015 年期間，有4 年因夏季出現(xiàn)異常低溫，造成大面積兩系法雜交水稻制種失敗，損失慘重[40]。

由于兩系不育系制種需要在高溫、長日照條件下進行，在長江中下游流域等地區(qū)，一般在夏季進行兩系雜交水稻制種，而這一時期易出現(xiàn)35 ℃以上的高溫，造成不育系柱頭活性降低，穎花閉穎嚴重，大大降低異交結實率，導致制種產(chǎn)量下降，制種成本居高不下。目前，兩系法雜交水稻平均制種產(chǎn)量一般約為2 250 kg/hm2，如能大幅度提高制種產(chǎn)量，降低用種成本，將極大的促進兩系法雜交水稻在生產(chǎn)上的應用。隨著水稻生產(chǎn)方式的改變，對水稻輕簡化栽培的需求迅速增加，耐密植、抗倒伏、病蟲害抗性強的水稻品種受到青睞，但選育產(chǎn)量、品質、抗倒性及抗病性兼顧的兩系不育系仍然困難重重。同時，兩系法雜交水稻種子生產(chǎn)機械化水平低，勞動力成本大，也進一步限制了兩系法雜交水稻的應用。因此，需加快光敏性兩系不育系選育步伐，選育高溫下開花習性好、柱頭外露率高、柱頭活力強的兩系不育系，突破兩系不育系高溫閉穎瓶頸，提高制種產(chǎn)量，降低溫度對兩系不育系育性波動的影響，解決因兩系不育系育性波動影響種植生產(chǎn)安全的問題。另外，加快現(xiàn)代生物技術的應用，利用基因編輯和分子設計育種技術[41，42]將優(yōu)異材料和基因快速創(chuàng)制光溫敏不育系，選育適宜全程機械化制種的兩系不育系[43]，提升亞種間雜種優(yōu)勢利用水平是未來兩系法雜交水稻發(fā)展的必由之路。