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(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；2 湖北省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，武漢 430072)

作物雜種優(yōu)勢(shì)利用是保障世界糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要手段[1]。到2050 年，全球人口預(yù)計(jì)將超過(guò)90 億，糧食需求將持續(xù)增加，無(wú)疑對(duì)農(nóng)業(yè)和糧食供給提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。三系法和兩系法雜交水稻是雜種優(yōu)勢(shì)利用的兩個(gè)重要途徑。三系法雜交水稻受恢保關(guān)系的制約，恢復(fù)系、保持系和不育系缺一不可，育種程序復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，新組合選育周期長(zhǎng)。兩系法雜交稻可以實(shí)現(xiàn)一系兩用，大大簡(jiǎn)化了育種流程，不受恢保關(guān)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(shù)的又一次重大突破。

我國(guó)的兩系法雜交水稻和亞種間雜種優(yōu)勢(shì)利用研究始于上世紀(jì)八十年代，到九十年代后期又開(kāi)展了超級(jí)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(yīng)用；到2000 年，先鋒組合在大面積示范種植中達(dá)到了農(nóng)業(yè)部制定的中國(guó)超級(jí)稻育種目標(biāo)[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(guó)共育成兩系水稻不育系403 個(gè)，占育成的不育系總量的58.83%；育成兩系雜交稻國(guó)審品種數(shù)719 個(gè)，占育成雜交稻品種的57.34%。兩系法雜交稻無(wú)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(shì)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(chǔ)。1964 年，袁隆平從勝利秈中發(fā)現(xiàn)了自然突變無(wú)花粉型不育材料，屬于細(xì)胞核不育，由于沒(méi)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(chǔ)定向培育出育性與溫度密切相關(guān)的珍龍選不育系，并于1974 年實(shí)現(xiàn)兩系法配套，配制出第一個(gè)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(yīng)用。

1973 年，湖北省沔陽(yáng)縣(現(xiàn)仙桃市)沙湖原種場(chǎng)技術(shù)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(guān)的水稻材料，配組表現(xiàn)出一定的雜種優(yōu)勢(shì)，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(jìn)行一系兩用的構(gòu)想[5]。1985 年，湖北省農(nóng)業(yè)廳和湖北省科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織湖北省協(xié)作組開(kāi)始對(duì)農(nóng)墾58 不育株進(jìn)行系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，光照長(zhǎng)度是調(diào)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(xué)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(gè)不育系育性主要受溫度高低的影響，日照長(zhǎng)度起輔助作用[8，9]，因此，在其不育期可進(jìn)行制種，在可育期用來(lái)自身繁殖，可實(shí)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(zhuǎn)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(guān)系限制，可避免不育胞質(zhì)負(fù)效應(yīng)，配組更加自由，可更快選育出強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交組合。因此，光溫敏雄性不育系種質(zhì)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就受到水稻育種家的極大關(guān)注。

自農(nóng)墾58S 被發(fā)現(xiàn)以后，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家“863”計(jì)劃先后投入資金，組織全國(guó)優(yōu)勢(shì)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(guò)“863”專家組鑒定。1989 年，育成的17 個(gè)核不育系通過(guò)省級(jí)以上技術(shù)鑒定，包括秈型9 個(gè)、粳型8 個(gè)，其中14 個(gè)不育系的核不育基因來(lái)源于農(nóng)墾58S[10]。早期選育的不育系受材料來(lái)源和研究深度的限制，在實(shí)際生產(chǎn)中并未被大規(guī)模推廣利用[11]。1989 年長(zhǎng)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(fù)，促使育種家們開(kāi)始重視兩系不育系的育性轉(zhuǎn)換臨界溫度。1992 年，袁隆平先生提出兩系不育系選育的技術(shù)策略，并提出了湖南不育系不育起點(diǎn)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(diǎn)育性觀察等成為選育實(shí)用型光溫敏不育系的重要技術(shù)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(shí)用兩系不育系培矮64S 通過(guò)技術(shù)鑒定[12]，為兩系不育系組合的選育起到重要的推動(dòng)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(guò)技術(shù)鑒定[13]，配選的晚粳組合鄂粳雜1 號(hào)于1995 年通過(guò)湖北省品種審定，該品種是第一個(gè)應(yīng)用面積超過(guò)1000 萬(wàn)畝的兩系法雜交稻組合，N5088S 也是應(yīng)用持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)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(lái)[19-22]，推動(dòng)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(yīng)用研究”獲2001 年國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，標(biāo)志著兩系雜交稻在中國(guó)即將進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。2013 年“兩系法雜交水稻技術(shù)研究與應(yīng)用”獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，充分肯定了兩系法雜交稻技術(shù)的先進(jìn)性和應(yīng)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(lái)也有反光敏感和反溫敏不育系被報(bào)道，并開(kāi)始探索其在育種中的應(yīng)用。例如安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(dòng)帶來(lái)的制種風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題[23]。高揚(yáng)等利用反溫敏不育系進(jìn)行了寒地雜交粳稻的初步實(shí)踐[24，25]。劉偉利用CRISPR/Cas9 基因敲除技術(shù)，創(chuàng)制了多個(gè)30.6℃以上恢復(fù)育性的反溫敏不育系[26]。蔡義東和李弘韜對(duì)go543S的反溫敏特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，該不育系的育性由一對(duì)主效隱性基因控制，育性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換方向完全相反，近年有學(xué)者在海南冬季和東北、云南正季進(jìn)行了大田制種的嘗試，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

目前，我國(guó)的兩系雜交水稻技術(shù)居世界領(lǐng)先。美國(guó)上世紀(jì)80 年代購(gòu)買了中國(guó)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(jìn)程，挖掘其育性調(diào)控關(guān)鍵基因、探究雄性不育分子機(jī)理尤為重要。石明松和鄧景揚(yáng)對(duì)農(nóng)墾58S 開(kāi)展的遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，其存在兩對(duì)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(xì)定位了6 個(gè)PGMS 基因(其中包括2 個(gè)反PGMS 基因)和14 個(gè)TGMS 基因(其中包括2 個(gè)反TGMS 基因)[31，32]，并成功克隆了3 個(gè)P/TGMS 基因，包括2 個(gè)PGMS 基因pms1和pms3[33，34]，2 個(gè)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(shí)驗(yàn)證實(shí)為同一個(gè)基因，該基因在不同的遺傳背景下，可能會(huì)分別受到光溫條件的調(diào)控作用[35]。

分子機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，單堿基突變是引起功能變異的來(lái)源。pms1上的一個(gè)單堿基突變(G 被替換為T)改變了其編碼的長(zhǎng)鏈非編碼RNA-PMS1T的二級(jí)結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了miR2118 對(duì)其的識(shí)別與切割效率，導(dǎo)致PMS1T的切割產(chǎn)物phasiRNAs(phased small interfering RNAs)在長(zhǎng)日照條件下過(guò)量積累，而phasiRNAs 很可能會(huì)對(duì)其下游的靶向雄性不育基因進(jìn)行剪切或抑制，導(dǎo)致雄性不育的發(fā)生[21]。pms3和p/tms12-1上的一個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成雄性不育[33，35]。tms5上的一個(gè)單堿基突變?cè)斐善渚幋a的RNase ZS1的蛋白質(zhì)翻譯提前終止，導(dǎo)致功能喪失，不能對(duì)其底物UbL40s mRNA 進(jìn)行降解，導(dǎo)致其過(guò)量積累而引起雄性不育[36]。以上已報(bào)道的幾個(gè)P/TGMS 基因的位置與作用機(jī)理各不相同，另外由于水稻P/TGMS 系的育性轉(zhuǎn)換過(guò)程極為復(fù)雜，其他大多數(shù)的基因還沒(méi)能克隆，這些基因之間的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)如何交叉與互作，還有待進(jìn)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(yīng)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(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用面積不大。1995 年，湖北省審定的鄂粳雜1 號(hào)在當(dāng)時(shí)雙晚稻區(qū)和云南等地得到較大面積推廣應(yīng)用。至2000 年前，全國(guó)通過(guò)省級(jí)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(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，通過(guò)省級(jí)以上審定品種達(dá)950 余個(gè)[37]，推廣面積從1996 年占雜交稻面積不到1%[38]擴(kuò)大至2016 年的50%左右[38]。從2016—2020 年，兩系雜交稻品種選育則進(jìn)入井噴時(shí)期，5 年時(shí)間兩系雜交稻品種審定數(shù)量比前20 年總和還多，達(dá)到1 000 余個(gè)(www.ricedata.cn)。截至2020 年，農(nóng)業(yè)部冠名的超級(jí)稻示范推廣品種133 個(gè)(www.ricedata.cn)，其中兩系雜交稻42 個(gè)，占31.6%。

目前，在早晚稻育種方面，湖北大學(xué)培育的早秈雜交稻兩優(yōu)287、湖南亞華種業(yè)科學(xué)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(xué)院糧食作物研究所培育的晚粳鄂粳雜1 號(hào)在生產(chǎn)上得到大面積應(yīng)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(yáng)稻6 號(hào))為父本配組的兩優(yōu)培九雜交稻為第一個(gè)有重大突破的兩系雜交稻，該品種2001 年通過(guò)國(guó)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(dāng)年全國(guó)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(jì)超過(guò)800 萬(wàn)hm2，是繼汕優(yōu)63 后推廣面積最大的雜交稻品種，同時(shí)，“兩系法超級(jí)雜交稻兩優(yōu)培九的育成與應(yīng)用技術(shù)體系”榮獲2004 年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。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(hào)、揚(yáng)兩優(yōu)6 號(hào)、豐兩優(yōu)4 號(hào)、新兩優(yōu)6326 等以及SE21S 配組的兩優(yōu)688繼續(xù)引領(lǐng)兩系雜交稻強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，在產(chǎn)量和品質(zhì)等方面有所提升，單個(gè)品種累計(jì)推廣面積66.7 萬(wàn)hm2以上。2010 年以來(lái)，Y58S 配組的兩系組合Y兩優(yōu)1 號(hào)、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(chǔ)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(chǔ)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(jìn)，已在生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用并取得較好效果。

5 面臨的挑戰(zhàn)與展望

目前廣泛應(yīng)用的兩系不育系主要以溫敏型為主，育性轉(zhuǎn)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(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，但隨著兩系法不育系應(yīng)用范圍增加，其在繁殖制種等方面的問(wèn)題也逐漸凸顯。近年來(lái)，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(guò)程中出現(xiàn)因低溫問(wèn)題造成育性恢復(fù)，導(dǎo)致制種純度大幅度下降，甚至制種報(bào)廢的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，給種子企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。例如，江蘇鹽城是全國(guó)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(zhǎng)日照條件下進(jìn)行，在長(zhǎng)江中下游流域等地區(qū)，一般在夏季進(jìn)行兩系雜交水稻制種，而這一時(shí)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(yán)重，大大降低異交結(jié)實(shí)率，導(dǎo)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(jìn)兩系法雜交水稻在生產(chǎn)上的應(yīng)用。隨著水稻生產(chǎn)方式的改變，對(duì)水稻輕簡(jiǎn)化栽培的需求迅速增加，耐密植、抗倒伏、病蟲(chóng)害抗性強(qiáng)的水稻品種受到青睞，但選育產(chǎn)量、品質(zhì)、抗倒性及抗病性兼顧的兩系不育系仍然困難重重。同時(shí)，兩系法雜交水稻種子生產(chǎn)機(jī)械化水平低，勞動(dòng)力成本大，也進(jìn)一步限制了兩系法雜交水稻的應(yīng)用。因此，需加快光敏性兩系不育系選育步伐，選育高溫下開(kāi)花習(xí)性好、柱頭外露率高、柱頭活力強(qiáng)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(duì)兩系不育系育性波動(dòng)的影響，解決因兩系不育系育性波動(dòng)影響種植生產(chǎn)安全的問(wèn)題。另外，加快現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用，利用基因編輯和分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)[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(jī)械化制種的兩系不育系[43]，提升亞種間雜種優(yōu)勢(shì)利用水平是未來(lái)兩系法雜交水稻發(fā)展的必由之路。