水稻光溫敏核不育系的育種研究現(xiàn)狀與發(fā)展策略

楊大兵，夏明元，戚華雄

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點實驗室，武漢 430064）

1973年石明松在晚粳稻農(nóng)墾58大田中發(fā)現(xiàn)3株自然雄性不育株，1985年該不育材料被定名為湖北光敏感核不育水稻，1988年秈型溫敏核不育系安農(nóng)S-1通過技術(shù)鑒定，1999年兩系法雜交水稻的標(biāo)桿品種兩優(yōu)培九通過省級審定。經(jīng)過近50年的研究和發(fā)展，基于光溫敏雄性核不育系的兩系法雜交水稻已成為雜交水稻不可或缺的組成部分，在提升水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)中發(fā)揮了重要作用［1］，是亞種間雜種優(yōu)勢利用、超級稻品種選育的主要類型［2］。據(jù)全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017—2021年期間通過國家審定的水稻品種中，兩系法雜交水稻占比57.3%［3］；2019年推廣面積居前十位雜交水稻品種中，兩系法雜交水稻品種占了7個，其中晶兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)華占、隆兩優(yōu)華占位列前三；2020年推廣面積居前十位雜交水稻品種中，兩系法雜交水稻品種同樣占了7個，位列前三的品種與2019年的相同，但位次稍有變化。2020年前十位雜交水稻品種總計推廣面積為203萬hm2，其中兩系法雜交水稻占比高達(dá)74.82%。兩系法雜交水稻的發(fā)展為保障中國糧食安全起到了關(guān)鍵性作用。本研究概述了水稻光溫敏核不育系的育種研究現(xiàn)狀，提出了目前水稻光溫敏核不育系育種存在的主要問題，并根據(jù)這些問題提出了相應(yīng)的發(fā)展策略。

1 水稻光溫敏核不育系的分類與選育

光溫敏核不育系是兩系法雜交水稻的基礎(chǔ)。對農(nóng)墾58S等光溫敏核不育系的育性轉(zhuǎn)換特性研究結(jié)果表明，典型光敏核不育系的育性受光照長度和溫度高低共同控制，在光敏溫度范圍內(nèi)溫度高低與臨界光長間存在一定負(fù)向互作關(guān)系；而典型溫敏核不育系的育性只受溫度高低控制，存在明顯的育性轉(zhuǎn)換臨界溫度點［4］。根據(jù)光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換對光溫條件的要求，可以將不育系劃分為光敏、溫敏和光溫互作3種類型，光照為主導(dǎo)因素時即為光敏型或光溫互作型，而溫度為主導(dǎo)因素時則為溫敏型［5，6］。

至今為止，育成的光敏核不育系主要是粳型不育系，例如N5088S和7001S等，N5088S配制的雜交水稻品種鄂粳雜1號于1995年通過省級品種審定，其后的十多年間每年推廣面積都在6 700 hm2以上，累計推廣面積達(dá)60萬hm2以上，是直接應(yīng)用持續(xù)時間最長的光敏核不育系；7001S于1989年通過省級技術(shù)鑒定，以7001S為不育基因來源先后育成了宣69S、廣占63S及廣占63-4S等優(yōu)良秈型不育系，僅廣占63-4S配制的雜交水稻品種揚兩優(yōu)6號，其累計推廣面積就達(dá)260萬hm2以上，7001S被認(rèn)為是最有活力的第一代不育系［6］。育成的秈型光（溫）敏核不育系以溫敏核不育系為主，包括培矮64S、廣占63S、廣 占63-4S、株1S、Y58S、C815S、1892S、晶4155S和隆科638S等，這些不育系是中國兩系法雜交水稻的骨干不育系，每個不育系配制的單個代表性雜交組合在生產(chǎn)上的應(yīng)用面積均在100萬hm2以上。利用培矮64S配制的兩優(yōu)培九累計推廣面積最大，達(dá)到600萬hm2以上，培矮64S也是國內(nèi)配組組合最多和應(yīng)用面積最廣的不育系之一。

2 水稻光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換的光溫反應(yīng)特性

光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換的不育臨界溫度是不育系應(yīng)用的關(guān)鍵。不育臨界溫度即誘導(dǎo)不育系開始表現(xiàn)不育時的溫度，也稱育性轉(zhuǎn)換的起點溫度。優(yōu)良實用型的光溫敏核不育系特別是溫敏核不育系必須具有較低的不育臨界溫度，而且只有具有這一特性才能保證不育系具有穩(wěn)定不育期，這樣才能有效規(guī)避制種期間因持續(xù)低溫而引起的不育系育性波動。

吳亞先等［7］研究了12份溫敏核不育系育性對低溫的敏感性差異，結(jié)果顯示，不育系之間不育起點溫度存在明顯差異，其中隆科638S、晶4155S等4份不育系的不育起點溫度與株1S相近，低于或接近23.0℃；華瑋338S、Y58S等6份不育系的不育起點溫度在23.0～23.5℃，而對照品種廣占63-4S的不育起點溫度高于23.5℃。

研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)定型的光溫敏核不育系都存在育性轉(zhuǎn)換的不育臨界溫度不穩(wěn)定或升高的問題［8］，不育系的不育臨界溫度在群體內(nèi)的個體間存在差異；在自然條件下繁殖不育系種子，隨世代數(shù)增加，某些育性轉(zhuǎn)換以溫度為主導(dǎo)的不育系其不育臨界溫度的整體水平會逐步提高［4］。在不育基因來源不同的光溫敏核不育系之間，不育起點溫度漂移幅度和漂移頻率存在明顯差異［9］，農(nóng)墾58S衍生的秈型不育系例如培矮64S，不育系起點溫度漂移幅度較大；而農(nóng)墾58S衍生的粳型光敏核不育系，例如N5088S和7001S等，其不育起點溫度的漂移幅度和漂移頻率比培矮64S明顯要?。欢詼孛艉瞬挥蛋厕r(nóng)S為不育基因來源的不育系，其不育起點溫度漂移幅度和漂移頻率都較小。不育系不育臨界溫度可能由多基因控制，這些基因在群體內(nèi)的雜合性可能是引起不育臨界溫度不穩(wěn)定的主要原因［10］。

3 水稻光溫敏核不育系選育中存在的主要問題

光溫敏核不育系不育臨界溫度偏高或不穩(wěn)定而導(dǎo)致的育性波動是制約兩系法雜交水稻可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。當(dāng)出現(xiàn)極端天氣時，光溫敏核不育系特別是溫敏核不育系的繁殖和制種都會受到影響，造成種子生產(chǎn)失敗。1989年其后的14年間，在長江中下游地區(qū)有4個年份的夏季均出現(xiàn)了日均溫22～24℃的低溫天氣，持續(xù)低溫引起不育系的育性波動，致使大面積制種失敗，種子生產(chǎn)企業(yè)蒙受了巨大損失，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重危害。此外，2008—2010年連續(xù)3年海南省在2月上旬前后連續(xù)30 d平均溫度超過23℃，導(dǎo)致溫敏核不育系C815S繁種失?。?1］。全球氣候的變化使氣候異常成為常態(tài)，盛夏低溫的頻繁出現(xiàn)對兩系法雜交水稻的制種帶來了巨大風(fēng)險。

3.1 光溫敏核不育系的不育基因資源來源單一

目前，光溫敏雄性不育系的不育基因主要來自于農(nóng)墾58S、安農(nóng)S-1和株1S及其衍生系［6，12］，利用光溫敏雄性不育系克隆的不育基因主要包括光敏核不育基因pms1和pms3、溫敏核不育基因tms5及p/tms12-1等。研究表明，pms1和pms3位點共同控制光敏核不育系農(nóng)墾58S的不育表型，兩者的功能具有重疊效應(yīng)；pms3和p/tms12-1為同一個基因，但兩者在粳稻（農(nóng)墾58S）和秈稻（培矮64S）遺傳背景下表現(xiàn)出不同的光溫反應(yīng)特性［13］，即在粳稻遺傳背景下育性由光照長短主導(dǎo)，而在秈稻遺傳背景下育性由溫度高低主導(dǎo)。生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的安農(nóng)S-1、株1S及HD9802S等獨立來源的溫敏核不育系其不育基因均為tms5。利用功能性DNA分子標(biāo)記對90份光溫敏核雄性不育水稻材料的分類結(jié)果表明［12］，以農(nóng)墾58S為惟一不育基因源的雜交后代中同時出現(xiàn)了光敏核不育系和溫敏核不育系，但來源于溫敏核不育系安農(nóng)S-1或株1S的雜交后代則全部是溫敏核不育系；只有溫敏核不育系衡農(nóng)S-1與現(xiàn)有的光溫敏基因不同，表明其不育特性受其他基因控制。由于溫敏核不育基因的遺傳較為簡單，因此在育種實踐特別是秈稻不育系的育種工作中，主要還是利用溫敏核不育基因。近年來，兩系法雜交水稻生產(chǎn)中溫敏核不育系占絕對主導(dǎo)地位。由單一基因來源培育出眾多的溫敏核不育系并在生產(chǎn)上大規(guī)模推廣應(yīng)用，將降低遺傳多樣性，容易受到生物和非生物脅迫的影響。

3.2 光溫敏核不育系不育育性轉(zhuǎn)換臨界溫度的遺傳機制尚不清楚

由于光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換的光溫反應(yīng)特性的復(fù)雜性，對不育系不育臨界溫度的遺傳研究進(jìn)展緩慢。對光溫敏核不育系不育臨界溫度性狀的遺傳研究表明［14］，在23.5℃處理下低臨界溫度對高臨界溫度為顯性，不育臨界溫度的遺傳符合兩對主效基因和微效基因共同作用的混合遺傳模型，主效基因的遺傳力為80%～97%，可以基本確定臨界溫度不穩(wěn)定的原因是不育系群體的異質(zhì)性和生態(tài)選擇性所致。對培矮64S衍生的近等基因系的育性感溫性的遺傳研究表明［15］，在23.5℃處理下不同株系臨界不育溫度差異顯著，利用全基因組測序發(fā)現(xiàn)有2個位點與花粉不育關(guān)聯(lián)，分別初步定位在第7染色體上和第9染色體上。這些研究仍有待進(jìn)一步證實和深入研究。由于光溫敏核不育系不育臨界溫度的遺傳機制尚不清楚，導(dǎo)致在不育系選育的實際工作中，前期對不育株育性轉(zhuǎn)換臨界溫度的選擇處于一種盲目狀態(tài)，這嚴(yán)重制約了實用型光溫敏不育系的選育效率。

3.3 光溫敏核不育系的遺傳基礎(chǔ)狹窄

在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初，利用光溫敏不育系與常規(guī)品種或品系，采用雜交育種技術(shù)育成了一批優(yōu)良的不育系，例如前面提到的粳型光敏不育系N5088S和7001S等及秈型的溫敏不育系培矮64S、廣占63S、株1S等。目前，生產(chǎn)上應(yīng)用的多數(shù)骨干不育系來源于不育系之間的雜交育種育成，例如晶4155S和隆科638S；或采用系統(tǒng)育種育成，例如1892S等。如果不育系育種繼續(xù)沿用這一技術(shù)路線，那么光溫敏核不育系的遺傳基礎(chǔ)將日趨狹窄。

4 水稻光溫敏核不育系的發(fā)展策略

依據(jù)光溫敏不育系的育種實踐，陳立云等［16］提出了光溫敏核不育系選育的性狀全優(yōu)原則、高配合力原則和親緣適度原則，其中在性狀全優(yōu)原則中要求不育系育性穩(wěn)定、制種安全、異交結(jié)實特性優(yōu)良、繁殖高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟性狀特別優(yōu)良；稻米品質(zhì)和抗性好。這些原則基本上包括了不育系的所有重要性狀，但由于不確定影響因素過多，在實際育種實踐中，這些原則只能作為育種工作者奮斗的目標(biāo)。而要解決目前光溫敏核不育系選育中存在的主要問題，還須在光溫敏核不育系的新種質(zhì)創(chuàng)制和不育系不育臨界溫度的遺傳研究上取得突破。

4.1 發(fā)掘和利用新的核不育資源特別是秈稻背景下的光敏核不育資源

農(nóng)墾58S攜帶光敏核不育基因pms1和pms3，利用農(nóng)墾58S為惟一不育基因來源的秈型兩系不育系中，多數(shù)不育系并不攜帶有光敏核不育基因pms1和pms3，而是攜帶有溫敏核不育基因tms5［12］，少數(shù)攜帶有pms3的秈型不育系也表現(xiàn)為溫敏。HN5S是利用農(nóng)墾58S育成的秈型光敏核不育系［17］，該不育系的不育下限起點溫度低（＜23℃），不育性穩(wěn)定，在湖北省不能繁種，在海南省南繁結(jié)實正常；曾漢來等［4］分析了HN5S的不育基因基因型，確認(rèn)HN5S攜帶有pms1和pms3基因。參考HN5S的育性基本特性參數(shù)，可以初步確定HN5S的光溫反應(yīng)特性與培矮64S的相近，但從育性表現(xiàn)的田間表型數(shù)據(jù)來看，HN5S與培矮64S之間存在差異，其中的原因可能是HN5S存在發(fā)育感光性。綜上所述，農(nóng)墾58S并不適宜作為秈型光敏核不育系的不育基因供體，其原因還有待進(jìn)一步研究。

根據(jù)光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換光溫作用模式［4］，在光敏溫度范圍內(nèi)光照長度與溫度有互補關(guān)系，即不育系在較高溫度下育性轉(zhuǎn)換的臨界光長縮短，較低溫度下則需要延長臨界光長才能保證不育。光敏核不育系的育性轉(zhuǎn)換受到光照和溫度的雙重調(diào)控，而溫敏核不育系的育性只受溫度影響［18］。因此，光溫敏核不育系在遇到持續(xù)低溫時，育性會發(fā)生波動，但由于育性轉(zhuǎn)換主要由光照長度控制，所以低溫對光溫敏核不育系育性所造成的影響相對較輕，在同樣情況下溫敏核不育系的育性波動則更嚴(yán)重。同樣在不育系的繁殖階段，光溫敏核不育系受較高溫度的影響較小，而溫敏核不育系受的影響較大。由于光溫敏核不育系特別是光敏核不育系在不育期和可育期的育性都相對比較穩(wěn)定，所以光敏核不育系也就利用價值最大。在生產(chǎn)實際中，長光不育臨界低溫低、光敏溫度范圍寬的光敏不育系的應(yīng)用生態(tài)適應(yīng)性較廣［4］。因此，發(fā)掘和創(chuàng)制新的核不育資源特別是秈型的光敏核不育種質(zhì)對促進(jìn)兩系雜交水稻的發(fā)展尤為重要。

4.2 加強對光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換臨界溫度調(diào)控基因的研究，提高不育系的選育效率

針對不育系的不育臨界溫度存在差異，袁隆平［19］提出了不育臨界溫度遺傳漂變的觀點，并提出了以核心種子為主體的原種生產(chǎn)技術(shù)和程序。曾漢來等［20］提出了克服水稻不育系不育臨界溫度升高的選育方法，其核心是連續(xù)3代低溫育性鑒定選擇不育株，并輔之以分子標(biāo)記輔助選擇。在生產(chǎn)實踐中，利用這些技術(shù)和方法有效地延長了不育系安全使用的年限，但其主要是針對高世代的不育系材料或基本定型的不育系品系，這類材料的不育臨界溫度的遺傳背景已基本定型，而在育種進(jìn)程中靠增加選擇壓選育低不育臨界溫度的不育系則難度很大。在育種實踐中發(fā)現(xiàn)，對高世代的不育系進(jìn)行低溫鑒定，一旦某類材料的不育臨界溫度較高或育性分離且多數(shù)單株的不育臨界溫度較高時，在后期育種中，將很難從中獲得穩(wěn)定的低不育臨界溫度的不育系。

不育系育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度關(guān)系到光溫敏核不育系是否具有實際應(yīng)用價值，目前針對育性轉(zhuǎn)換臨界溫度的選擇其育種核心技術(shù)還是以傳統(tǒng)表型鑒定為主。發(fā)掘和創(chuàng)制新的低不育臨界溫度的光溫敏核不育系資源，加強對控制不育臨界溫度高低的遺傳基礎(chǔ)及其調(diào)控方式的研究，繼而開發(fā)與育性轉(zhuǎn)換臨界溫度緊密連鎖或功能性分子標(biāo)記，將大大地提高光溫敏核不育系的選擇效率。

4.3 充分利用常規(guī)育種的最新成果，拓寬光溫敏不育系種質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)

兩系法雜交水稻不同于三系法，不受恢保關(guān)系制約，因此兩系法雜交水稻的親本可以最大限度地利用常規(guī)育種的成果。目前，推廣面積位居前列的兩系法雜交水稻組合，其父本主要是廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所育成的常規(guī)品種或品系，例如五山絲苗、華占、黃粵絲苗等。近年來，光溫敏核不育系的選育主要采用常規(guī)育種和分子標(biāo)記輔助選擇相結(jié)合的育種技術(shù)，但其核心親本多數(shù)還是局限于之前育成的不育系，利用不同的不育系復(fù)交選育新的光溫敏不育系，或利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)將優(yōu)良基因?qū)牍歉刹挥狄蕴嵘挥档目剐曰蚱焚|(zhì)等［21］。因此，在光溫敏核不育系的選育工作中，還須加大利用常規(guī)育種最新品種或品系的力度，這將有助于改變光溫敏核不育系同質(zhì)化的現(xiàn)狀，拓寬光溫敏核不育系的遺傳基礎(chǔ)。