水稻秈粳雜種不育性的遺傳機理及雜種優(yōu)勢利用

郭 潔，劉少隆,2，周新橋，陳達剛，陳可，葉嬋娟，李逸翔,3，劉傳光，陳友訂

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所/ 廣東省水稻育種新技術(shù)重點實驗室/ 廣東省水稻工程實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南優(yōu)質(zhì)稻遺傳育種重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學院農(nóng)業(yè)與生物學院，廣東 廣州 510225；3.廣東海洋大學濱海農(nóng)業(yè)學院，廣東 湛江 524088）

水稻（Oryza sativaL.）是最重要的糧食作物之一，世界上50%以上的人口以稻米為主食［1］。面對當今嚴峻復(fù)雜的國內(nèi)外形勢，高產(chǎn)水稻的選育對保障我國糧食安全至關(guān)重要［2-3］。20 世紀60 年代矮化育種和70 年代雜種優(yōu)勢利用，使水稻的單產(chǎn)水平發(fā)生了兩次質(zhì)的飛躍［4］。隨著世界人口數(shù)的不斷增加及耕地面積的急劇減少，水稻的產(chǎn)量已經(jīng)無法滿足人們的需求，水稻的超高產(chǎn)育種對于解決人類糧食問題具有重要意義。目前雜交水稻主要是運用種內(nèi)雜交，如秈稻與秈稻雜交，粳稻與粳稻雜交，雙親的遺傳距離較近，差異小，雜交稻的雜種優(yōu)勢受到了很大的限制，亟需增大雙親的遺傳距離，使水稻的產(chǎn)量得到進一步的提高［5-6］。

亞洲栽培稻（Oryza sativaL.）為稻屬（Oryza）中兩個栽培種之一，在世界各地廣泛栽培。秈稻（Oryza sativaL.indica）和粳稻（Oryza sativaL.japanica）是亞洲栽培稻兩個彼此獨立的亞種，在形態(tài)、生理和基因水平上存在很大差異，兩者雜交將會產(chǎn)生強大的雜種優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在植株高度、根系發(fā)達、有效穗及粒重顯著提高等方面［7-8］。水稻秈粳亞種間雜交水稻也被稱為第5 代（5G）水稻，能夠充分利用秈粳亞種間強大的雜種優(yōu)勢，進一步提升水稻的產(chǎn)量潛力，將是水稻的又一重大變革［9-10］。但是，亞種間雜種F1的結(jié)實率偏低，表現(xiàn)為不育或半不育，限制了亞種間的遺傳交流，嚴重阻礙了亞種間雜種優(yōu)勢的利用［10-12］。

克服秈粳亞種間雜種不育性是使秈粳亞種間的雜種優(yōu)勢得到充分利用的關(guān)鍵。為此，眾多科學家對水稻亞種間雜種不育進行深入研究，發(fā)現(xiàn)秈粳亞種間雜種不育的分子機制非常復(fù)雜。目前，已定位50 多個雜種不育位點，其中12 個不育位點已經(jīng)被克?。?3］。此外，廣親和基因（Widecompatible genes，WCGs）和廣親和品種（Widecompatible varieties，WCVs）的發(fā)現(xiàn)為克服亞種間雜種不育提供了可能，含有廣親和基因型的材料無論與秈稻還是粳稻雜交，雜種都能正常結(jié)實或結(jié)實率較高，是克服秈粳亞種間雜種不育的重要資源［14］。隨著雜種不育機理研究的深入，通過秈粳架橋、培育多基因聚合的廣親和系或粳型親秈系、基因編輯技術(shù)等途徑能夠顯著提高秈粳亞種間雜種的結(jié)實率［13］。本文綜述了水稻秈粳亞種間雜種不育的遺傳基礎(chǔ)和分子調(diào)控機理，以及克服秈粳亞種間雜種不育的方法策略，對5G 水稻的推廣和雜交水稻產(chǎn)量的提升提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 水稻秈粳分化與雜種優(yōu)勢

秈稻和粳稻是亞洲栽培稻的2 個亞種，其中秈稻主要分布在低緯度的亞熱帶地區(qū)，如我國南部沿海和淮河以南的低海拔地區(qū)，而粳稻主要分布于亞洲東部的溫帶地區(qū)，如我國秦嶺淮河以北等溫度較低的地區(qū)，及亞洲東南部和高海拔的亞洲南部地區(qū)。

1.1 亞洲栽培稻的秈粳分化

秈粳分化是亞洲栽培稻分化的主流。在自然和人工的雙重選擇下，秈稻與粳稻在形態(tài)學和生理學，包括株型、粒型、葉色和對光溫的敏感性等方面存在很大的差異。鑒定稻屬資源的秈粳類型一般采用形態(tài)學鑒定和分子標記分類法。形態(tài)學鑒定主要是采用以6 個易于觀測的形態(tài)性狀（稃毛、酚反應(yīng)、第1～2 穗節(jié)間長、抽穗時殼色、葉毛及谷粒長寬比）為主要指標的“程式指數(shù)法”［15］。分子標記分類法早期主要是利用同工酶標記、RFLP (Restriction fragment length polymorphism)、SSR (Simple sequence repeats)、RAPD (Randomly amplified polymorphic DNA)、rRNA (Polymorphic ribosomal DNA)等分子標記鑒定稻屬資源秈粳屬性，揭示了秈稻和粳稻在基因組中存在著廣泛的差異［16-19］。隨著測序技術(shù)的發(fā)展及成本的降低，重測序技術(shù)逐步應(yīng)用在秈粳分化領(lǐng)域，通過對大量的秈稻和粳稻品種進行全基因組測序，表明了秈稻和粳稻兩個群體間存在大量序列變異和結(jié)構(gòu)變異，并針對于特異性差異設(shè)計出InDel 或SNP標記，能夠更準確高效地鑒定秈粳類型及秈粳分化程度［21-24］。

1.2 亞種間雜種優(yōu)勢

水稻雙親間的遺傳距離與雜種優(yōu)勢的強度呈正相關(guān)，因此秈粳亞種間雜種F1在營養(yǎng)器官和產(chǎn)量上表現(xiàn)出強大的雜種優(yōu)勢［25-26］。袁隆平［27］提出雜交水稻的3 個發(fā)展階段，即品種間、亞種間和遠緣雜種優(yōu)勢的利用，秈粳亞種間的雜種優(yōu)勢有望成為雜交水稻進一步提升產(chǎn)量的有效途徑。依據(jù)遺傳背景的差異，秈粳亞種可進一步劃分為典型秈稻、秈稻、偏秈、中間型、偏粳、粳稻及典型粳稻7 種類型，其中爪哇稻主要是指熱帶粳稻，介于秈亞種和粳亞種的中間類型［28］。Yuan［29］研究發(fā)現(xiàn)亞種間內(nèi)雜種優(yōu)勢強度的趨勢為秈/粳＞秈/爪＞粳/爪＞秈/秈＞粳/粳。近年來，已有不少秈粳間雜種利用成功的例子，秈粳亞種間雜種F1在分蘗數(shù)、單株稈重、每穗總粒數(shù)、單株莖數(shù)、株高和穗長等性狀方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，如利用具有廣親和基因的秈型兩系不育系64S 與粳稻材料R2859 配組，育成耐寒性和抗逆性顯著優(yōu)于親本的培兩優(yōu)2859［30］。邢運高等［31］利用廣親和兩系不育系9311S 與粳稻配置40 個組合，雜種F1在株高、穗長、單株產(chǎn)量等8個性狀具有正向超親優(yōu)勢和競爭優(yōu)勢。但是，典型的秈粳亞種間雜交稻組合較少，還有較大的提升空間。張桂權(quán)［9］提出秈粳亞種間雜交水稻將是第5 代(5G)水稻，這一代水稻能夠充分利用秈粳亞種間的雜種優(yōu)勢，使水稻的產(chǎn)量潛力得到進一步的挖掘和提升。

2 秈粳亞種間生殖隔離

秈粳亞種間遺傳分化造成的兩者間顯著差異是決定其雜種優(yōu)勢的重要因素，但受限于亞種間的生殖隔離。生殖隔離指的是兩個不同種或亞種的個體之間不能雜交產(chǎn)生后代，或者產(chǎn)生的雜種后代不育。生殖隔離具有多樣性，根據(jù)其發(fā)生時期，可分為兩大類：一類是合子前生殖隔離，即生殖隔離發(fā)生在形成合子之前，通過阻止合子的產(chǎn)生而導(dǎo)致生殖隔離，主要包括地理隔離、生態(tài)隔離、季節(jié)隔離、生理隔離、形態(tài)隔離和行為隔離等多種形式；另一類為合子后生殖隔離，主要包括雜種衰敗、雜種劣勢和雜種不育等形式［32］。

2.1 雜種衰敗

雜種衰敗是生殖隔離的一種重要形式，雜種F1表現(xiàn)為正?？捎?，但其雜種后代或回交后代的個體表現(xiàn)衰弱不能成活或者不育。雜種衰敗是由1 個或多個隱性基因控制的，其遺傳機制非常復(fù)雜，目前為止，關(guān)于控制雜種衰敗相關(guān)基因的精細定位與克隆的報道還較少，隱性互補基因hwe1和hwe2、hbd2和hbd3目前已被精細定位在水稻染色體上控制水稻秈粳亞種間的雜種衰退，其F2后代中會出現(xiàn)矮化、少分蘗的表型［33-34］。隱性基因hbd2和hbd3是控制雜種衰退的兩個重要基因，hbd2編碼1 個酪蛋白激酶基因，其等位基因hbd2-CKI1由于單個氨基酸的變化獲得了有害的功能；hbd3被定位到1個NBS-LRR 基因簇區(qū)域內(nèi)，hbd2和hbd3兩者結(jié)合可能異常觸發(fā)了水稻的自身防衛(wèi)反應(yīng)，從而造成了雜種衰敗，其弱勢表型可能是由于自身免疫應(yīng)答所引發(fā)［34］。

2.2 雜種劣勢

雜種劣勢是合子后生殖隔離現(xiàn)象，雜種F1在營養(yǎng)生長階段表現(xiàn)為萎縮黃化、分蘗減少、矮化、死亡等。目前已在水稻不同染色體上初步發(fā)現(xiàn)10 多個基因位點與雜種劣勢現(xiàn)象相關(guān)［35］，其中Hwc1和Hwc2是控制雜種劣勢的重要基因［36-37］。Hwc1被精細定位于第1 號染色體長臂上60 kb 的區(qū)間內(nèi)，Hwc2精細定位到了第4 號染色體19 kb的區(qū)間內(nèi)。Hwc1和Hwc2兩個位點中的一個顯性純合一個顯性雜合時或兩個都顯性雜合時則會使雜種F1表現(xiàn)出弱勢，而當這兩個位點任意一個隱性純合時，植株生長正常，不會產(chǎn)生雜種弱勢。

2.3 雜種不育和廣親和性

雜種不育屬于子后生殖隔離，是最常見的亞種間生殖隔離形式。水稻品種間雜交后代的小穗育性一般高于50%，而秈粳雜交產(chǎn)生的后代的小穗育性普遍低于亞種內(nèi)的雜種［7,38］。引起雜種不育的原因有很多，包括雄配子體敗育、雌配子體敗育、雌雄配子體不親和、花藥不開裂以及環(huán)境因素等，其中雌雄配子體敗育是秈粳雜種不育的主要形式［39-40］。此外，部分水稻品種進行雜交配組時，與秈稻或粳稻雜交的后代均為正常可育，且正反交對育性無明顯影響，這一部分品種被稱為廣親和品種，這些品種中控制秈粳雜種育性的位點則被稱為廣親和基因［14,41］。

3 秈粳亞種間雜種不育性的遺傳機理

秈粳亞種間雜種不育具有普遍性和復(fù)雜性，受多個不育基因座控制。隨著分子標記技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，目前已鑒定出50 多個雜種不育數(shù)量性狀位點（Quantitative trait loci，QTL）和基因，分別分布在水稻的11 條染色體上［11-12,42-43］。大多數(shù)的基因/QTL 只是被鑒定或初定位，或只出現(xiàn)在特殊的雜交組合，目前僅有12 個雜種不育座Sa、S5、HSA1、S7、S1、Sc、qSHMS7、ESA1、DPL1/DPL2、S22、S27/S28和DGS1/DGS2被克?。?1-13,43-44］。

水稻種間雜種不育基因或QTL 的定位或克隆，對克服秈粳亞種F1不育性具有一定的指導(dǎo)意義，目前已有4 個種間雜種不育座被克隆。其中，雜種不育座S1是控制種間雜種不育的重要基因，非洲栽培稻等位基因S1-g 由3 個緊密連鎖的基因S1A4、S1TPR和S1A6（SSP）形成復(fù)合體共同調(diào)控雜種F1育性，S1TPR基因還起到保護非洲稻型S1-g 型配子免于敗育的作用，呈現(xiàn)非對稱遺傳互作［45-46］。在亞洲栽培稻O.sativa和雜草稻雜交組合中，雜種不育基因座S22被定位在第2 染色體的短臂末端，發(fā)現(xiàn)它是由兩個基因S22A和S22B組成的，并且這兩個基因是獨立地導(dǎo)致雜種F1的花粉敗育，其中S22B編碼一個DUF1668蛋白，在花藥中特異表達［47］。雜種不育基因座S27和S28共同作用導(dǎo)致了雜種F1的花粉敗育，其中S27-T65 和S28-glum 都編碼一個與呼吸作用有關(guān)的線粒體蛋白mtRPL27，該蛋白的缺失會導(dǎo)致呼吸作用無法正常進行，從而使雜種F1花粉敗育。因此，當雄配子含有S27-T65 或S28-glum 至少1 個基因時，不會發(fā)生敗育，只有“雙隱性”（S27-glum/S28-T65）時雄配子才會發(fā)生敗育［48］。此外，在亞洲栽培稻O.sativa和1 年生普通野生稻Oryza nivara組合中鑒定出一組基因DUPLICATEDGAMETOPHYTICSTERILITY1(DGS1)和DGS2，分別位于第4 和第7 號染色體上，互相作用導(dǎo)致種間雜種F1的花粉不育。在雜種F1中，攜帶DGS1-nivaras 和DGS2-T65s 等位基因的雄配子才會表現(xiàn)為敗育［49］。該基因組和雜種不育基因組S27/S28屬于同一種基因互作模式。

此外，水稻秈粳亞種間雜種不育是受多個基因控制的。張桂權(quán)等［50-52］利用臺中65 的F1花粉不育近等基因系統(tǒng)地研究了亞種間雜種不育性，提出“特異親和”的學術(shù)觀點，并認為秈粳雜種不育性至少受Sa、Sb、Sc、Sd、Se和Sf6 個花粉不育基因座的控制。隨后各研究團隊利用不同的近等基因系、單片段代換系、低代回交群體定位了30 多個雜種不育位點，例如DPL1、DPL2、S24、S25和S35等基因?qū)е码s種F1敗育［11-13,43-44］。Guo 等［53］發(fā)現(xiàn)秈粳亞種間雜種不育性主要受花粉不育基因座Sb、Sc、Sd和Se以及胚囊不育基因座S5控制。目前，僅克隆了3 個不同的花粉不育座Sa、Sc、DPL1/DPL2和3 個雌性不育座S5、HSA1、S7［11-13,43-44］。

3.1 花粉不育基因定位、克隆與功能分析

莊楚雄等［54］將Sa座位定位在第1 號染色體標記CDO548 附近。Long 等［55］克隆雜種不育基因座Sa，該位點由相鄰兩個基因組成，其中SaF編碼一個F-box 蛋白（F-box protein），等位基因SaM則編碼一個泛素修飾因子E3 連接酶（small ubiquitin-like modifier E3 ligase-like protein），并提出“兩基因/三元件(two-gene/three-component interaction model)”的互作模型，指出大多數(shù)秈稻品種基因型是SaM+SaF+，粳稻品種基因型是SaM-SaF-，而SaF+與SaM-能夠直接互作以及與SaM+間接作用，導(dǎo)致攜帶SaM-的花粉敗育引起秈粳雜種花粉半不育，并且SaM+、SaM-和SaF+三者缺一不可。這種模型能夠很好地解釋了秈粳亞種間的雜種不育性［55］。

Li 等［56］利用T65 和其近等基因系E2 將不育基因Sb座定位在分子標記A8 和A14 之間約27 kb 的區(qū)間內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)存在7 個ORF。Zhao等［57］在CSSL/Asominori 雜交組合中發(fā)現(xiàn)一個新的雜種不育位點S24，并將其精細定位于水稻第5 號染色體上約42 kb 的區(qū)間內(nèi)，通過位置比對發(fā)現(xiàn)S24和Sb可能為同一基因座，ORF2為目的基因，編碼一個錨定蛋白ANK-3。此外，雜種雌性不育位點S31精細定位于第5 號染色體短臂上標記InDel193 與InDel212 之間，與Sb基因座的定位區(qū)間相鄰［58］。

花粉不育位點Sc定位在水稻第3 號染色體上，該基因的結(jié)構(gòu)變化和拷貝數(shù)的差異導(dǎo)致雜種雄性不育。粳稻的等位基因Sc-j只有1 個花粉正常發(fā)育必須的編碼DUF1618 蛋白的基因，而秈稻攜帶的等位基因Sc-i存在序2-3 個拷貝數(shù)。在Sc-i/Sc-j 雜種F1，Sc-i的高表達極大地抑制了Sc-j的表達，造成攜帶Sc-j的雄配子選擇性敗育［59］。

Li 等［60］利用近等基因系發(fā)展作圖群體將Sd定位在第1 號染色體分子標記PSM93 和PSM74之間約67kb 的范圍內(nèi)，基因注釋表明該區(qū)域內(nèi)有17 個預(yù)測ORF。朱文銀等［61］將花粉不育位點Se初步定位于水稻第12 染色體上；Win 等［62］將雜種不育基因座S25定位于水稻第12 染色體上標記G24 和G189 之間；Chen 等［63］在Nekken2/YeongPung 雜交組合中定位了一個雜種雌性不育位點S35（t），位于第12 染色體短臂上，與標記RM19 和RM6269 連鎖，根據(jù)位置比較分析，S35（t）、S25和Se很可能為同一基因座或同一位點的不同等位基因。

Mizuta 等［64］將DPL1、DPL2兩個秈粳雜交花粉不育位點定位在第1、6 染色體，DPLs 編碼一種高度保守的植物特異的小分子蛋白。其中DLP1-N+和DLP2-K+為2 個有功能的等位基因，共同控制雜種F1花粉的萌發(fā)，而DLP1-K-和DLP2-N-這兩個等位基因不能正常表達，因此在雜種F1產(chǎn)生的雄配子中，只有同時攜帶DLP1-K-和DLP2-N-的花粉粒才不能正常萌發(fā)，從而導(dǎo)致雜種F1不育。

3.2 雌性不育基因克隆與功能分析

1986 年，Ikehashi 等［41］發(fā)現(xiàn)一個導(dǎo)致秈粳雜種F1胚囊敗育的基因，命名為S5，并將S5座初步定位在水稻第6 染色體。隨著研究的深入，更多的雌性不育座S7、S8、S9、S15、S17、S26（t）、S31和S35（t）等被發(fā)現(xiàn)和定位［11-12,42-43］。

雜種不育基因S5編碼一個天冬氨酰蛋白酶（aspartic proteases，APs），通過控制雌配子的育性而影響水稻雜種F1的結(jié)實率，其中秈型等位基因S5-i和粳型等位基因S5-j之間僅有兩個堿基的差別，分別引起相應(yīng)蛋白質(zhì)中心結(jié)構(gòu)域Phe-273和Ala-471 兩個氨基酸的替換，造成其雜種不育。而S5-n基因則在其編碼蛋白的N 末端有136 bp序列的缺失，從而喪失了基因功能，因此S5-n基因無論與秈稻還是粳稻雜交，都不影響雜種F1的育性［65］。Yang 等［66］提出S5座是由3 個基因共同控制，其中ORF3基因與熱激蛋白Hsp70基因具有同源性，它能夠保護胚囊免于敗育，被稱為保護者；ORF4基因編碼一個跨膜結(jié)構(gòu)域蛋白，隨后提出了控制水稻秈粳亞種間雜種F1育性的“殺手與保護者（killer-protector）”互作模型。在雌配子發(fā)育過程中，ORF4+和ORF5+作為殺手，共同作用導(dǎo)致攜帶ORF3-的粳型配子敗育，而秈型配子由于保護者ORF3+的存在而正常存活，最終使亞種間雜種F1表現(xiàn)為半不育；而廣親和品種缺失ORF4+和ORF5+之一或者全部缺失而失去了破壞胚囊育性的功能，故與秈稻及粳稻均能產(chǎn)生正?？捎暮蟠?6］。隨后，Rao 等［67］在秈粳雜交群體中初定位4 個主效QTL，與S5座相互作用共同控制秈粳亞種間雜種不育性。

雜種不育基因S7被定位在水稻第7 染色體，S7-ORF3基因編碼編碼TPR（tetratritricopeptide repeat）結(jié)構(gòu)域蛋白，在雌性配子體的形成過程中，雜合體的S7-ai/S7-cp和S7-ai/S7-i，S7-ai的高表達會導(dǎo)致攜帶S7-cp和S7-i的配子不育，從而導(dǎo)致胚胎敗育［68］。

秈粳亞種間雜種雌性不育由3 個互補的基因組HSA1、HSA2和HSA3控制，分別位于第12、8、9 染色體。通過克隆發(fā)現(xiàn)HSA1基因座由兩個相互作用的基因組成，即HSA1a和HSA1b，其中HSA1a-i編碼一個特異性DUF1618 蛋白，HSA1b-i編碼類核酸結(jié)合蛋白，但是在HSA1b-i/HSA1b-i的雜種中，攜帶HSA1a-j的雌配子敗育從而導(dǎo)致秈粳雜種不育［69］。

水稻秈粳亞種或種間雜種不育由多個基因共同控制，水稻種間或亞種間50 多個雜種不育基因的定位、12 個不育座/組合的克隆及分子機理的揭示將對克服雜種不育、提高秈粳亞種間雜種F1的育性、亞種間雜種優(yōu)勢的利用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.3 雜種不育的遺傳模式分析

自20 世紀50 年代以來，眾多遺傳育種學家就亞種間雜種不育性和遺傳機理進行了深入的研究。到目前為止，已提出了多種水稻秈粳雜種不育的基因作用模型，將栽培稻雜種不育基因作用模式歸納為單位點孢子體-配子體互作、重復(fù)隱性基因配子致死、互補孢子體不育和單座位孢子體不育4 種模式［70-71］。Ouyang 等［32］根據(jù)水稻雜種不育基因的功能和作用方式，提出3 種水稻雜種不育基因的演化模式，即平行演化模式（Parallel divergence model）、連續(xù)演化模式（Sequential divergence model）和平行-連續(xù)演化模 式（Parallel-sequential divergence model）。謝勇堯等［72］提出3 種雜種不育的分子遺傳機制，分別為特定配子顯性致死的遺傳機制、特定配子選擇性顯性保護的遺傳機制和重復(fù)隱性致死的遺傳機制。單位點孢子體-配子體互作模型、非等位重復(fù)隱性基因致死模型可以解釋大部分雜種不育現(xiàn)象。

單位點孢子體-配子體互作模式已被廣泛用來解釋雜種不育的現(xiàn)象。最早由Kitamura［70］提出，后被發(fā)展成為等位基因互作模型［41］，該模型假設(shè)在同一座位上秈稻和粳稻分別攜帶純合的S-i和S-j等位基因，在雜種F1中該座位的基因型為S-i/S-j，且攜帶S-j等位基因的配子發(fā)生敗育，從而使雜種F1表現(xiàn)為不育；而中性等位基因S-n與秈型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j雜交F1代均表現(xiàn)為正常育性。等位基因互作模式能較好地解釋雜合不育座的等位基因互作導(dǎo)致攜帶粳型等位基因S-j的配子敗育的遺傳現(xiàn)象，目前已經(jīng)鑒定的雜種不育基因大多數(shù)都符合單座位孢子體-配子體互作模式，已經(jīng)克隆的12 個水稻雜種不育基因中有7 個位點S1、S5、S7、Sa、Sc、HSA1和qHMS7符合該模式［12］。如胚囊不育基因座S5存在3 個等位基因，分別為秈型等位基因S5-i、粳型等位基因S5-j和中性基因S5-n；而在雜種F1中，基因型為S5-i/S5-i、S5-j/S5-j、S5-n/S5-n、S5-n/S5-i和S5-n/S5-j的植株都為正?？捎仓辏蛐蜑镾5-i/S5-j的植株由于攜帶S5-j的配子敗育表現(xiàn)為半不育［65］?；ǚ鄄挥蜃鵖a也存在3 種等位基因Sa-n（SaM+SaF-）、Sa-i（SaM+SaF+）和Sa-j（SaM-SaF-），同樣符合等位基因互作模式［55］。

重復(fù)隱性基因配子體致死模式最先由Oka［71,73］提出，又稱非等位基因互作不育理論，認為亞種間雜種不育性是由兩組獨立遺傳的配子發(fā)育基因控制，雜種F1個體中同時帶有兩個不同座位隱性基因的配子敗育。例如，S27/S28、DPL1/DPL2、DGS1/DGS23 對雜種不育基因座的作用機制都符合重復(fù)隱性基因配子致死模型［48-49,64］。例如，在雜種F1產(chǎn)生的雄配子中，只有同時攜帶DLP1-K-和DLP2-N-的花粉粒才不能正常萌發(fā)，從而導(dǎo)致雜種F1不育。

此外，秈粳亞種間雜種不育基因座的遺傳效應(yīng)具有疊加性，在同一個雜交組合中，多個不育基因座同時為雜合存在時引起的雜種F1敗育程度更加嚴重。例如，相比于單個不育位點等位基因互作，基因型為SaiSajSbiSbj或SaiSajSbiSbjSciScj的雜種F1表現(xiàn)出更低的花粉育性［74］。

4 秈粳亞種間雜種不育性的克服及雜種優(yōu)勢利用

秈粳之間強大的雜種優(yōu)勢的利用是進一步提高水稻產(chǎn)量的一種有效途徑，但是普遍存在的雜種不育的現(xiàn)象嚴重阻礙了亞種間雜種優(yōu)勢的利用。目前眾多遺傳育種學家已提出一些方法或策略用以克服秈粳雜種不育性，從而實現(xiàn)亞種間雜種優(yōu)勢的利用。

4.1 克服秈粳亞種間雜種不育性的有效途徑

目前提高秈粳雜種的結(jié)實率的途徑可歸納為4 種：（1）利用“秈粳架橋”培育亞種間滲入水稻；（2）利用廣親和基因培育廣親和系；（3）通過聚合秈型等位基因到粳稻品種中培育粳型親秈系；（4）應(yīng)用基因編輯等技術(shù)創(chuàng)制無功能的等位基因培育廣親和系。

4.1.1 秈粳架橋培育亞種間滲入水稻 亞種間滲入水稻，包括滲粳常規(guī)秈稻、滲秈常規(guī)粳稻、滲粳雜交秈稻和滲秈雜交粳稻［9］。早在20 世紀，楊振玉等［75］利用“秈粳架橋”育成C57 等滲秈的粳型恢復(fù)系。隨后，童漢華等［76］通過人工雜交培育出偏秈型廣親和恢復(fù)系T2070，與秈型三系不育系配組，組合表現(xiàn)出顯著的雜種優(yōu)勢。此外，我國第一大兩系不育系廣適性光溫敏不育系Y58S 也是利用粳稻滲入秈稻的策略育成的，目前已組配了100多個組合。鄧啟云［77］利用“秈粳架橋”的育種方法培育亞種間滲入水稻在一定程度上提高了秈粳亞種間雜種F1 的結(jié)實率，打破了亞種間的生殖隔離，但是該方法具有局限性，只能部分利用秈稻和粳稻的豐富的種質(zhì)資源，一定程度上限制了亞種間的雜種優(yōu)勢的利用。

4.1.2 利用廣親和基因培育廣親和系 廣親和品種和廣親和基因的發(fā)現(xiàn)為克服秈粳雜種不育提供了可能［41］。1979 年日本最早對廣親和材料進行系統(tǒng)篩選和選育，我國及國際水稻所也相繼開展工作并取得了顯著成效。育種家利用兩系或者三系配法，選育了一大批廣親和系，如02428、培C311、輪回42 等。

目前已經(jīng)鑒定的秈粳雜種不育基因大多數(shù)都符合等位基因互作模式，中性等位基因S-n與秈型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j雜交F1代均表現(xiàn)為正常育性。多項研究表明雜種不育基因座S5的S5-n等位基因具有廣親和性，能夠與S5-i秈型等位基因以及S5-j粳型等位基因結(jié)合產(chǎn)生具有正常胚囊育性的雜種F1代［65-66,78-79］。目前一系列雜種不育位點的中性基因如Sa-n、Sb-n、Sc-n 等被挖掘出來［80-82］，這些廣親和基因的利用有利于秈粳亞種間雜種不育性的克服。

此后，Ouyang 等［42］提出將多個廣親和基因聚合到一個優(yōu)良品種中，培育超級廣親和品系WCLs，通過優(yōu)良的親本雜交可以獲得具有強大雜種優(yōu)勢且育性正常的雜交植株，從而實現(xiàn)了克服亞種間雜種不育性的設(shè)想。張桂權(quán)［9］提出利用雜種不育基因座位的S-n等位基因替代秈稻中的S-i等位基因，培育“秈型廣親和系”，或替代粳稻中的S-j等位基因，培育“粳型廣親和系”，解決秈粳亞種間雜種F1結(jié)實率低的問題。根據(jù)雜種不育基因遺傳效應(yīng)的疊加性，多個廣親和基因的聚合可以很大程度提高秈粳亞種間雜種F1的結(jié)實率。例如，相比與雜交親本具有單個廣親和性基因的，基因型為SaiSanSbiSbnSciScn或SbjSbnSdjSdnSejSen的雜種F1 的花粉育性得到很大程度的提高［83-84］。Guo［53,79］等發(fā)現(xiàn)秈粳亞種間雜種不育性主要受花粉不育基因座Sb、Sc、Sd和Se 以及胚囊不育基因座S5控制。

Mi 等［85］在秈稻品種9311 中聚合了胚囊不育基因座S5的中性等位基因S5-n 和花粉不育基因座f5的中型等位基因f5-n，將其與粳稻測交能夠提高秈粳雜種F1的小穗育性，培育出的恢復(fù)系組配的部分秈粳雜交組合的結(jié)實率可以達到生產(chǎn)應(yīng)用水平。Ma 等［86］在秈稻品種9311 中聚合S5、f5、S32、Sa基因的中性等位基因，與粳稻測交能夠提高雜種F131.4%～55.0%的小穗育性。Guo 等［79］通過聚合育種培育出華粳秈74 廣親和系，在5 個雜種不育座位S5、Sb、Sc、Sd和Se都攜帶S-n基因，與秈稻和粳稻測驗種雜交的F1花粉育性和小穗育性都表現(xiàn)為基本正常，表明了華粳秈74 廣親和系對秈稻和粳稻測驗種都具有親和性，可以用來克服秈粳亞種間雜種不育性。

4.1.3 聚合育種創(chuàng)制粳型親秈系 張桂權(quán)等［87-88］在“特異親和”的理論基礎(chǔ)上首次提出通過培育粳型親秈系（Indica-compatible japonica line，ICJL）,在此基礎(chǔ)上又提出“粳型親秈系的分子育種”這一概念，即利用分子標記輔助選擇技術(shù)將多個雜種不育基因座位上攜帶的S-i基因聚合到同一粳型品系中選育出粳型親秈系，同時也將更多的抗蟲、抗病和育性恢復(fù)基因聚合到所創(chuàng)建的粳型親秈系中，從而培育出攜帶更多優(yōu)良基因的、具有更多優(yōu)良性狀的粳型親秈系。

Chen 等［89］利用分子標記輔助選擇，在粳稻鎮(zhèn)稻88 的4 個雌性不育基因座上導(dǎo)入秈稻片段，同時也導(dǎo)入了秈稻中的光溫敏不育基因以及黃葉形態(tài)標記，選育出粳型親秈光溫敏不育系509S。Guo 等［53］利用分子標記輔助選擇將Sb、Sc、Sd和Se座的S-i基因和S5座的S5-n等位基因聚合到粳稻品種中，培育出粳型親秈系，該材料對粳稻完全不親和，而對秈稻具有親和性，能夠和秈稻測驗種雜交產(chǎn)生具有正常育性的后代，能夠有效克服秈粳亞種間雜種不育性。此外，也可將恢復(fù)基因RF3和RF4導(dǎo)入到所獲得粳型親秈系中，培育出粳型親秈恢復(fù)系，應(yīng)用于三系育種，從而培育出具有強雜種優(yōu)勢的雜交種。

4.1.4 基因編輯創(chuàng)制廣親和系 隨著現(xiàn)代生物育種技術(shù)的發(fā)展，越來越多的雜種不育座位被鑒定、克隆，在利用自然界已有的種質(zhì)資源的同時，可應(yīng)用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)可以在已知的雜交不育基因座快速產(chǎn)生無功能的等位基因，從而加快廣親和系的培育。如通過敲除Sc座位的Sc-i拷貝中的一個或兩個，減少Sc-i的基因劑量，從而恢復(fù)Sc-j的正常表達，創(chuàng)制出Sc-n等位基因［90］；或應(yīng)用CRISPR/Cas9 方法對Sa基因座兩個基因SaF和SaM進行編輯，快速創(chuàng)建Sa-n等位基因［91］。此外，也可利用基因編輯技術(shù)將培育的廣親和系的光溫敏基因進行定點編輯，能夠快速育成廣親和不育系。因此，應(yīng)用基因編輯技術(shù)定點編輯雜種不育座位，能夠快速有效地克服秈粳亞種間的雜種不育性。

4.2 秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的應(yīng)用

目前，我國半矮桿水稻和種內(nèi)雜交水稻已取得重大成就［92-94］，為了進一步提升水稻的產(chǎn)量潛力，隨著秈粳亞種間雜種不育性的克服，我國雜交水稻育種正在從品種間雜種優(yōu)勢利用逐漸邁向亞種間的雜種優(yōu)勢利用，秈粳亞種間雜交水稻作為5G 水稻已經(jīng)逐步走向市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

三系法和兩系法是實現(xiàn)秈粳雜種優(yōu)勢利用的重要途徑，其中兩系法配組自由，可以擺脫恢保關(guān)系的限制，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在秈粳雜交育種方面。例如，利用廣親和基因與兩系光溫敏不育系配成兩優(yōu)培9、Y 兩優(yōu)1 號、Y 兩優(yōu)2 號等雜交組合，F(xiàn)1表現(xiàn)出顯著超親優(yōu)勢［95］；邢運高等［31］以廣親和兩系不育系9311S 為母本，粳稻品種為父本，配置兩系雜交組合，雜種F1在穗長、粒數(shù)、粒重等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

三系法則是利用秈型或粳型雄性不育系與粳型或者秈型恢復(fù)系配組，形成“秈不粳恢”、“粳不秈恢”的雜交配組模式。目前已培育了一些秈粳亞種間的雜交品種湘兩優(yōu)900、江兩優(yōu)7901、“甬優(yōu)系列”和“春優(yōu)系列”等［96-99］，在生產(chǎn)上體現(xiàn)了更強的產(chǎn)量優(yōu)勢。近幾年，廣東省植物分子育種重點實驗室通過聚合育種，將廣親和基因?qū)雰?yōu)良的恢復(fù)系，培育一批秈型廣親和恢復(fù)系，對粳型不育系具有親和性，與其測交的雜種F1表現(xiàn)為正常結(jié)實率，并表現(xiàn)出強大的雜種優(yōu)勢和很大的產(chǎn)量潛力，在生產(chǎn)上將具有很好的應(yīng)用前景。

5 展望

秈稻和粳稻是亞洲栽培稻的兩個亞種，兩者在形態(tài)學、生理學以及基因水平上存在顯著性差異，亞種間的遺傳差異將會產(chǎn)生強大的雜種優(yōu)勢，能夠進一步提高我國水稻的產(chǎn)量。近年來，雜種優(yōu)勢的利用也逐漸從秈粳亞種內(nèi)過渡為亞種間，秈粳亞種間雜交水稻逐步走向市場，這是水稻發(fā)展的必然，勢在必行。但是，秈粳亞種間雜種不育性嚴重阻礙了雜種優(yōu)勢的利用。亞種間雜種不育性是非常復(fù)雜的，目前已鑒定了50 多個雜種不育基因或QTL，克隆了12 個雜種不育基因，并闡明該基因的分子機理。大多數(shù)基因符合等位基因互作模式，廣親和基因S-n與秈型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j雜交F1代均表現(xiàn)為正常育性，目前一系列雜種不育位點的廣親和基因等被挖掘出來，這些廣親和基因的利用有利于秈粳亞種間雜種不育性的克服。根據(jù)已克隆的基因及分子機理，以及對廣親和基因的深入認識，提出了利用秈粳架橋培育亞種間滲入水稻，聚合育種培育廣親和系和粳型親秈系，以及應(yīng)用基因編輯等技術(shù)創(chuàng)制廣親和系等途徑，克服秈粳亞種間雜種不育性，精準化改良秈粳雜種的結(jié)實率，從而實現(xiàn)了亞種間雜種優(yōu)勢的利用。但是，亞種間雜交水稻的產(chǎn)業(yè)化還需要解決多方面問題，如雜種F1株高偏高、生育期短、米質(zhì)較差、雜交種制種產(chǎn)量低等問題?？傊?，秈粳亞種間雜交水稻的推廣應(yīng)用，將會實現(xiàn)亞種間強大雜種優(yōu)勢的利用，提高水稻的產(chǎn)量潛力，推動水稻產(chǎn)業(yè)的又一次重大變革。