杂交水稻育种技术的发展与创新

近期,水稻无融合生殖研究取得了系列进展。通过对水稻减数分裂基因和配子发育相关基因的编辑或表达调控,初步实现了水稻杂交种的自交传代,为一系法杂交水稻成功实现奠定了重要基础。本文对三系法、两系法、智能不育系及一系法4种杂交水稻制种技术的历史、现状进行综述,重点介绍了各技术的分子生物学研究进展及各自的优缺点,并对各育种技术的发展进行了展望,为后续创制优良杂交水稻种子繁殖体系及进一步发挥杂交水稻潜力提供参考。

水稻亲本遗传分化程度与籼粳杂种优势的关系

本文利用两套材料,即来自一个籼/粳交(圭630/02428)的双单倍体(DH)系和另—组由多种类型的籼、粳组成的对照组,从分子水平上研究了水稻亲本的遗传分化程度。在此基础上探讨了亲本的遗传分化程度与籼粳杂种优势的关系。两套测交F_1群体的结果一致表明,亲本遗传分化程度对穗数和千粒重的影响相对较小,但是对每穗结实粒数和结实率这两项体现育性的指标影响较大。当亲本遗传分化综合指数TDj值为20～25时,育性指标有一个峰值,对应产量优势也有一个峰值。亲本遗传分化程度对杂种优势的影响主要体现在育性这一敏感也是主要因子上。另一方面,本研究结果表明中间型亲本在水稻杂种优势利用上具有重要的地位。

籼型三系杂交水稻主要农艺性状配合力研究

选择具有广泛代表性的6个不育系和9个恢复系,采用NCⅡ交配设计分析12个农艺性状的配合力.结果表明:①除主茎剑叶长、结实率和千粒重三性状非加性效应不明显外,其他性状的加性效应和非加性效应均有显著作用,且均以加性变异为主,但单株产量、相对日产量及单株穗数三性状非加性变异较大.②主茎剑叶长、穗长和千粒重三性状受不育系的影响稍大,其他性状均受恢复系的影响更大,但不育系对相对日产量、单株产量和每穗总粒数等性状也有相当大的作用.③参试的不育系以金23A、V20A和优ⅠA较好,恢复系以207和644最好,明恢63在配制生育期较长的杂交中稻高产组合中是一个很好的亲本.④亲本一般配合力与特殊配合力在各性状上均是相互独立的;一般配合力与亲本自身的表型值则有一定程度的正相关,说明在育种中必须注意亲本自身性状的改良.

水稻的产量潜力与株型演变

在简要分析中国50年来水稻单产变化及其原因的基础上 ,重点阐述了直立穗型水稻群体生理生态特性、株型演变趋势及与产量潜力的关系 。

杂交水稻产量构成因素的通径分析

将68 个杂交水稻的株高、单株穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒重、单株产量共7 项性状指标分别作相关分析的结果表明:株高、单株穗数、每穗实粒数、结实率与单株产量之间的相关均达极显著水平。通径分析的结果表明:单株穗数、每穗实粒数、千粒重对单株产量的直接作用大,均达极显著水平。提出杂交水稻高产育种应保持高的单株穗数和每穗实粒数,将千粒重控制在合适水平上。

杂交水稻亲本遗传差异及其与杂种优势关系

以目前生产上大面积应用和新育成的16个籼型三系杂交水稻亲本为材料，根据11个主要农艺和经济性状进行主成分分析和聚类分析，以马氏距离为指标，研究了杂交水稻亲本间遗传差异的状况及其与杂种优势的关系。在16个亲本的120个遗传距离中，80％以上小于2；9个恢复系间的平均遗传距离仅为0．4793，7个保持系间，除湘香2号B外，平均遗传距离为0．7723。说明现有杂交稻亲本间遗传差异较小，尤其是保持系内和恢复系内遗传差异更小。对亲本间遗传距离与杂种优势的相关分析表明，现有籼型三系杂交稻亲本间遗传差异与杂种优势关系不密切，而杂交稻产量的高低与双亲产量尤其是双亲产量平均值的高低密切相关。说明亲本改良在提高杂交稻产量中极为重要。此外，还对亲本改良与杂种优势的关系、杂交相亲本改良的方法和途径以及杂交稻组合亲本选配原则进行了讨论。

中国水稻杂种优势利用现状

分析了 1996～ 1998年我国杂交水稻生产应用中主要品种的胞质类型及播种情况。现阶段 ,中国杂交水稻种植面积占水稻年播种面积的 5 0 %以上。生产上应用的三系杂交稻仍以野败胞质为主 ,其次为冈· D型和印尼水田谷型 ,后者的面积比重在逐年增加。两系杂交稻研究取得新突破 ,10余个组合通过了省级审定 ,培矮 6 4S的广泛应用展示了两系杂交稻超三系杂交稻的诱人前景。我国业已育成超级杂交稻苗头组合 ,个别组合在部分百亩 (6 .6 7hm2 )连片示范点已经达到了日产稻谷10 0 kg/

两系法杂交水稻研究和应用中若干问题的思与行

指出了当前我国两系法杂交水稻研究和应用中面临的主要问题,即两系法杂交水稻体系中不育系的称谓和分类不规范,生产上利用的水稻两用核不育系育性温光反应特性研究不清楚,水稻两用核不育系繁殖和两系法杂交稻制种基地选择不当等。针对当前情形,结合多年育种实践,提出了解决这些问题的对策及措施。建议将水稻两用核不育系分为长光高温不育型、高温不育型、短光低温不育型、低温不育型等四种类型。提出了水稻光温不育机理设想,即水稻光温敏核不育系育性转换是主效不育基因与其位置相近的发育感光基因或(和)发育感温基因相互作用的结果,微效不育基因可影响两用核不育系的不育起点温度。只有深入研究光温敏型不育系育性的光温组合效应,且获得具体的光温指标,才能更好地指导两系法杂交水稻制种和不育系繁殖。提出了水稻两用核不育系育性光温特性的鉴定方法以及两系法杂交稻种子生产应根据不育系育性温光特性和历史气象资料来合理安排基地和时段。

水稻雄性不育及其育性恢复表达载体的构建

将PCR扩增获得的水稻花药绒毡层特异表达基因Osg6B启动子(简写成6B)与来自质粒pROKⅡ上的NOS终止子相连,产生了pGEM7Z-6BNOS。然后将来自解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amylodique faciens)中的Barnase和Barstar基因(简写成BN和BS)分别插入到pGEM7Z-6BNO上的BamH I和Nco I位点上,再用Sal I和Xho I切下2.3 kb的6BBNNOS相2.2kb的6BBSNOS片段,并分别将其插入到pDM302的Xho I位点上,经酶切分析表明6BBNNOS和6BBSNOS在pDM302上的方向相反。从而成功地构建了水稻雄性不育和其育性恢复表达载体pDM302-6BBNNOS和pDM302-6BBSNOS。用基因枪轰击水稻幼胚,获得了抗膦化麦黄酮(PPT)的水稻转基因植株,可望形成优良的水稻雄性不育和育性恢复系,以应用于生产。

两系杂交稻优势生态型的初步研究

研究了培矮６４Ｓ和Ｎ４２２Ｓ与粳亚种中的东北粳、华北粳、日韩粳、云贵粳、非洲粳、美国稻及籼亚种中的云贵籼、太湖籼、华中籼和Ａｕｓ稻的杂种Ｆ１的产量及产量构成因素的杂种优势，初步确定美国稻、非洲粳、云贵粳以及华北粳中的改良品种是粳稻的优势生态型，太湖籼与云贵籼是籼稻的优势生态型。对籼粳优势生态型的产量优势进行比较发现，Ｎ４２２Ｓ／太湖籼低于Ｎ４２２Ｓ／美国稻，但与Ｎ４２２Ｓ／非洲粳和Ｎ４２２Ｓ／云贵粳相当；培矮６４Ｓ与粳稻优势生态型的优势强于与籼稻优势生态型的优势。两个不育系的优势比较表明，培矮６４Ｓ与各生态型的杂种优势强于Ｎ４２２Ｓ与各生态型的杂种优势。

水稻杂种优势表现与双亲遗传差异

用广亲和恢复系中４１３与“Ｌｅｍｏｎｔ×特青”重组自交系群体（ＲＩＬ）杂交，构建中４１３测交Ｆ１群体（ＺＴＰ）和分子标记连锁图谱。研究了中４１３基因组组成、Ｆ１杂种产量性状优势表现以及杂种优势表现与亲本间遗传差异的关系。双亲性状优良往往能获得好的Ｆ１代，但并非所有组合都是如此。低值亲本与中４１３杂交亦可产生高值后代，表现较强的杂种优势。双亲遗传差异与杂种优势表现呈正相关，当母本（ＲＩＬｓ）的模型成分（Ｌｅｍｏｎｔ基因组含量）达到８０％左右时，杂种的籽粒产量最大，优势最强。杂种的生物学产量亦表现随母本的粳型成分增加而继续增加的趋势。

中国超级稻育种研究进展与前景

综合评述了中国超级稻育种研究进展与前景,认为培育和推广超级稻,是继株型改良和杂交稻育种之后,提高水稻综合生产能力,实现水稻单产水平进一步提高的重要途径。在"利用籼粳稻杂交创造新株型和强优势,通过复交优化性状组配聚合有利基因,选育理想株型与优势利用相结合的超级稻"育种理论与技术路线确立之后,在常规超级稻育种和超级杂交稻育种两方面都已取得重大突破,成功地创造出一批新株型优异种质,培育出一批优质抗病的超级稻新品种和新组合。这些超级稻新品种、新组合已广泛地应用于水稻生产实践,并已取得较好的增产效果。

胞质效应在杂交水稻主要数量性状上的多样性

用3套包含3种不同雄性不育细胞质的9个不育系，与8个恢复力具有明显差异的恢复系组成9×8不完全双列杂交，按再裂区设计分析了胞质效应。结果表明，胞质效应具有明显的多样性，它既表现为不同胞质对同一性状和同一胞质对不同性状的效应存在差异;也表现为胞质效应组成的多样性，即胞质效应由胞质的一般配合力、胞质与保持系结合的特殊的一般配合力、胞质与恢复系互作及胞质与保持系、恢复系二级互作的特殊配合力四个组分中的一个或多个组成。野败型、D型和K型三种胞质对杂种一代千粒重的效应包含上述四个组分;对穗总粒数的效应只含胞质与保持系、恢复系互作的特殊配合力;对其余各性状的效应无明显差异。提出选育类似于多系品种的多胞质杂交稻的设想。

运用AMMI模型分析水稻多点双列杂交试验 Ⅰ.组合的丰产性、稳产性和适应性分析

用四川省水稻育种攻关组“八五”后期育成的一批不育系和恢复系（同时加对照珍汕９７Ａ和明恢６３）按不完全双列杂交配制２０个组合，于１９９６年分别在成都、绵阳、重庆和泸洲进行试验，运用ＡＭＭＩ模型对参试组合的产量进行了分析。结果表明：有９个组合的平均产量超过对照汕优６３，增产幅度为０．０３％～４．０６％，占参试组合的４２．１１％；组合稳定性评价很重要，基因型与环境的互作达极显著水平，互作效应为基因型效应的二倍；ＡＭＭＩ模型的前两个主成分解释了８３．３５％的交互作用信息；珍汕９７Ａ／７３４、Ｋ４２Ａ／７３４和辐７６Ａ明恢／６３表现丰产而稳产，辐７６Ａ／７３４和辐７６Ａ／生５丰产而不稳产，辐７６Ａ／成恢１４９、台九Ａ／生５和Ｋ４２Ａ／成恢１４９则稳产而不丰产，其余组合既低产又不稳产。建议推荐辐７６Ａ／７３４、Ｋ４２Ａ／７３４、珍汕９７Ａ／７３４、辐７６Ａ／生５等参加省级区试；辐７６Ａ／生５同时在绵阳、珍汕９７Ａ／１３４８在重庆、Ｋ４２Ａ／明恢６３在成都参加市级区试或示范。

龙特甫A杂株来源及其分析

通过对龙特甫Ａ中杂株来源的分析，认为龙特甫Ａ本身自交结实是产生杂株的直接原因。龙特甫Ａ自交结实与含有正常花粉的可染花药有关，大部分颖花中的可染花药呈嵌合体存在；而可染花药的数量又与温光有关，通径分析结果表明，温度对可染花药率的通径系数为０．２８１３，呈正效应，日照时数对可染花药率的通径系数为－０．９１１３，呈负效应。

栽培稻-药用野生稻杂种F_1及回交后代的基因组原位杂交鉴定

以ｄｉｇｏｘｉｇｅｎｉｎ标记的药用野生稻（Ｏｒｙｚａ ｏｆｆｉｃｉｎaｌｉｓ）总ＤＮＡ作探针，未标记的栽培稻（Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ）总ＤＮＡ封阻（１：１６），对栽培稻一药用野生稻Ｆｉ及回交后代材料根尖体细胞染色体制片进行基因组原位杂交，鉴定出３个双单体异源附加系和４个单体异源附加系。当标记探针用ａｎｔｉ－ｄｉｇｏｘｉｇｅｎｉｎ－ＰＯＤ和ＤＡＢ检测时，药用野生稻染色体显棕色，栽培稻染色体则因Ｇｉｅｍｓａ对染而显浅蓝色；标记探针用ａｎｔｉ－ｄｉｇｏｘｉｇｅｎｉｎ－ＦＩＴＣ检测时，药用野生稻染色体发出黄绿色荧光，而栽培稻染色体则因ＰＩ对染而发出红色荧光。在异源附加系的有丝分裂间期细胞中，药用野生稻染色质所占区域也很明显。由此看来，有可能利用ＧＩＳＨ技术来区分Ａ与稻属的其他基因组。

水稻标记不育系标-1A的选育与利用

以带有明显淡绿叶标记性状 (pgl基因 ,位于第 1 0条染色体上 )的光 温敏型核不育水稻M 2S为供体 (父本 ) ,以优质早籼保持系中红B为母本杂交 ,再用其F1为母本同珍汕 97B杂交获得三交种 ,F2 选择带明显淡绿叶标记性状的高结实率、综合性状好的材料作为保持系选材加代到F4,F4株系分单株与珍汕 97A测交选择能保持完全不育的保持系 ,进一步回交 ,从而得到株叶型整齐一致、不育性稳定、性状优良的带有明显淡绿叶标记性状的不育系—标 1A。标 1A与中 41 3、明恢6 3配组表现出较强的杂种优势。标 1A无论是在不育系繁种、杂交稻制种还是在大田生产上 ,在苗期就能很容易分辩出真伪种 。

5个水稻三系新不育系异交特性研究

对5个新育成的水稻不育系和金23A(CK)的开花习性、柱头外露率、柱头活力、田间异交结实率等异交特性进行了系统观察研究。结果表明:井冈5A异交性能总体最好,柱头外露率高,花时集中,开花率高,田间异交结实率高达48.1%;其次是井冈2A、井冈3A,开花率高,柱头活力强,田间异交结实率分别为38.5%、39.2%;井冈1A、井冈4A异交特性表现较一般。

W6154S×农垦58杂交后代育性转换株的发育感光性与育性转换特性

为了探讨水稻发育感光性与光、温敏雄性不育性之间的遗传关系,对W6154S/农垦58杂交组合F_2中发育感光性不同而具有明显育性转换特性的不育株及其衍生的F_3株系各单株进行了发育感光性与育性转换光温反应特性鉴定。结果表明:W6154S的育性转换特性可在发育感光性不同的背景中表达光敏不育性;所有F_2、F_3的育性转换株中没有分离出典型的温敏不育株;育性转换性状能在低世代稳定,而控制育性转换光温条件的遗传基础是复杂的。发育感光性强弱不是育性光敏性强弱的决定因子,育性光敏性强弱受遗传背景多因子综合作用,农垦58及其类似背景中可能存在增强光敏雄性不育主效基因表达的遗传因子。

特种稻米中微量元素铁、锌、锰含量的配合力和稳定性分析

以米粒中微量元素铁、锌、锰含量各具差异的７个特种稻品种配制完全双列杂交，利用Ｇｒｉｆｆｉｎｇ方法１模型Ⅰ分析３种微量元素含量的配合力；利用变异系数分析法研究７个亲本在不同地点、不同年份间微量元素含量的稳定性。结果表明，铁、锌、锰３种微量元素的一般配合力（ＧＣＡ）方差和特殊配合力（ＳＣＡ）方差均达极显著水平，其中铁含量的ＳＣＡ方差大于ＧＣＡ方差，锌、锰含量ＧＣＡ方差大于ＳＣＡ方差，说明这３种元素同时受加性和非加性基因作用，铁含量以非加性效应为主，锌和锰含量则以加性效应为主。同一亲本３种元素间ＧＣＡ效应差异较大，同一元素不同亲本间差异亦较大；同一元素不同组合间ＳＣＡ表现较大变幅，并有ＧＣＡ效应高的亲本其杂交组合的ＳＣＡ效应多数表现较高的趋势，但亦有ＧＣＡ低的亲本间杂交出现ＳＣＡ高的组合。变异系数分析结果显示，７个亲本在不同年份、不同地点间，各元素含量的差异较大，表明稻米中铁、锌、锰含量除受遗传控制外，还明显受环境条件的影响，并表现基因型×环境互作。