水稻光温敏核不育系利用中存在的问题与对策

1、 专题与综述Special thesis &overview水稻光温敏核不育系利用中存在的问题与对策何强1, 蔡义东2, 徐耀武3, 陈立云13(1. 湖南农业大学水稻研究所, 湖南长沙410128;2. 湖南省农业厅种子管理站, 湖南长沙410005;3. 湖南亚华种业股份有限公司, 湖南长沙410001摘要:系统回顾了自1989年以来在利用水稻光温敏核不育系中遇到的温度对育性的影响、不育起点温度“漂变”以及两系杂交稻制种实践中出现的风险等问题, 分析了导致这些问题产生的原因, 讨论了解决这些问题的方法和技术策略。关键词:杂交水稻; 光温敏核不育系; 温度效应; 育性转换; 临界温度“漂变”

2、; 制种风险; 技术策略中图分类号:S334;S311文献标识码:A文章编号:1005-3956(2004 01-0001-05自1981年提出水稻自然两用系概念至今1, 两系法杂交水稻经过我国科技工作者近20a 的探索和研究, 取得了巨大的成就和进展25。然而, 回顾两系杂交水稻的历史, 其发展并非一帆风顺。与三系杂交水稻相比, 要长得多, 其历程可谓“, 左右, 一定的风险。1光温敏核不育系利用过程中存在的问题1. 1温度对光温敏核不育系育性影响的认识问题由于早期基础研究所得结论的片面性及选育者经验的缺乏, 都认为光温敏不育系育性只受日照长度的影响。无论是农垦58S 转育的新不育系, 还是

3、新发现的安农S -1, 也不论是生育期长的、短的、籼的、粳的一律被称为“光敏”不育系67。直至1989年前后有学者研究发现温度对育性有明显影响89, 孙宗修利用人工气候处理, 首次指出5460S非光敏不育系, 而是温敏不育系10, 但仍然没有引起对温度的足够认识。结果,1989年长江中下游地区出现39a 一遇的持续数天异常低温, 日平均温度23左右11, 导致许多所谓的“光敏”不育系出现严重的育性波动, 即“打摆子”现象。如1989年武昌盛夏连续7d 日均温23. 5的低温造成籼型和粳型不育系育性恢复, 仅31111S 基本不受影响1213。至此, 大多数育种家开始认识到温度对光温敏不育系的育

4、性转换所起的作用。问题的暴露, 使原有理论不足以支持人们对不育系选择鉴定的程序14, 同时, 育成的一大批核不育系表现明显的育性波动, 使两系杂交水稻研究遭受重大挫折15。1991年8月底至930, 。, 日平均气温9, 表明农垦58S 16。至此, 人们才充分认识, 甚至起决定性作用7。1. 2不育起点温度“漂变”问题光温敏不育系繁殖若干代后不育起点温度显著升高, 致使不育系种子完全不能用于制种, 早期把这种现象称为起点温度的“遗传漂移”17。后来大多数学者把这种现象称为临界温度的“漂变”。当前国内两系杂交水稻生产中应用最广泛的光温敏核不育系培矮64S 育性转换的临界温度在1991年通过省级

5、鉴定时为23. 318, 在按常规良种繁育程序和方法选种留种后, 不育系的育性转换温度逐代升高, 1993年已上升到24. 2,1994年有些地方更高达26左右1920。衡农S -1在1989年技术鉴定之后, 经多代繁殖, 至1993年制种时出现15%左右的可育株, 起点温度已达26, 自交结实率达70%21。1356S 第1次鉴定时因临界温度超过24. 5而未通过, 经过加压筛选提纯, 把临界温度控制在24后才开始在生产上应用22。不育起点温度“漂变”的不育系种子因自交结实而导致制种纯度降低, 出现“假杂种”, 给两系杂交水稻大面积生产带来风险。收稿日期:2003-04-24基金项目:湖南省

6、自然科学基金资助项目(03JJ Y 3033作者简介:何强(1972- , 男, 湖南益阳人, 农艺师, 在读博士研究生。电3通讯作者, 电1杂交水稻(HYBRID RICE ,2004,19(1 :1-5 1. 3制种失败的问题在“八五”初期, 由于对育性转换中温度的作用认识不够, 对光温敏不育系育性转换规律尚不甚了解, 导致广西、福建、湖南、北京、辽宁等地在制种上都有过失败的惨痛教训23。特别是湖南省1993, 1996,1999年部分两系杂交水稻种子严重不纯, 给两系杂交水稻生产带来相当大的负面影响24。1993年湖南衡阳春制衡两优

7、1号, 因6月底7月初连续5d 下雨, 日均温降到24以下, 不育系育性敏感期未能安全通过;1995年湖南永州春制培两优288, 因不育系育性敏感期遇上6月中旬的低温, 杂种纯度只有80%左右;1996年湖南怀化夏制培矮64S 系列组合, 部分制种基地由于播种期安排不当, 导致母本育性敏感期遇到7月1517日连续3d 日均温低于24的天气, 部分杂种因纯度不合格而报废;1999年7月1617日怀化地区又出现低于24的低温天气, 少数制种基地不育系自交结实;1999年8月下旬出现连续阴雨, 日均温低于24, , 功21。1992遇上7月824以下的低温, , 78%; 次年不育系又因遇到8月的低

8、温而出现严重“打摆子”, 种子纯度50%以下25。1999年长江中下游地区的南京、武汉在8月下旬连续8d 以上的日均温低于23. 5, 由于某些地方忽视了对制种地时空的选择, 造成个别组合受低温影响, 导致大面积的制种失败26。甚至最适宜制种的海南三亚地区在1996年也出现低温天气, 给制种造成损失27。这些严酷的事实说明:如何有效地防止夏季异常低温对光温敏核不育系育性的影响已成为我国两系杂交稻生产必须解决的一个重要课题。2出现问题的原因分析2. 1温光对光温敏核不育系育性的影响经过19891991年对光温敏不育系育性转换中温度作用的重新认识后, 我国学者就温度对不育系的影响作了大量的研究工作

9、。早期有学者研究认为光温敏不育系的育性表现属光温组合效应, 光周期和温度同时起作用, 温度对光照长度诱导光温敏核不育水稻的发育、育性转换及育性表达3个阶段都有重要影响28。随着研究的不断深入, 孙宗修等29、程式华等30研究认为, 粳稻和籼稻光敏核不育系的育性表达以及育性转换均受光周期和温度的双重影响, 粳型光敏核不育系的育性转换诱导因素以光周期为主, 而多数籼型光温敏核不育系的育性转换则以温度为主。无论是籼型还是粳型不育系, 均无绝对的光敏感特性, 即无纯光敏类型, 都具有明显的光温补偿效应26,31。因此, 深刻认识温度的影响后, 育种家们在两用不育系选育问题上经历了所谓的光敏型温敏型低温

10、敏型为主的几个主要阶段32。陈立云根据前人就光温两因子对光温敏核不育系影响的研究结果将水稻两用不育系分为4种类型:长光高温不育型(光温敏型 、高温不育型(温敏型 、短光低温不育型(反光温敏型 、低温不育型(反温敏型 , 并提出各种类型达到生产实用程度的光温指标33。另外, 许多学者根据光、4种光温作用, 即第二34、光温作用模型35、育性量化模、光温育性三维曲面模型37。其中光温作用模型是在1989年盛夏低温导致几乎所有不育系都发生育性波动后, 促使科学家们重视温度对育性转换的作用的历史背景下提出的。2. 2不育起点温度“漂变”原因一种现象的出现由其内在本质所支配。导致两用核不育水稻起点温度“

11、漂变”现象的根本原因是光温敏核不育系育性遗传的稳定性和变异性共同作用的结果。我国目前育成的光温敏雄性不育系其核不育基因来源于以下不同的供体:粳型农垦58S 、籼型安农S -1、5460S 、衡农S -1、新光S 、株1S 等3841。经过科学家们多年的研究认为, 这些供体以及它们所转育的光温敏核不育系遗传背景较复杂, 普遍存在不育起点温度“漂变”即育性遗传不稳定现象42。从遗传模型来分析, 光温敏核不育性是一种典型的质量数量性状, 既受主基因调控, 表现为质量性状, 又受微效多基因修饰而表现出一定程度的数量性状特征。在光温敏核不育性的遗传控制中, 由于数目众多、难以纯合且又对光温等生态因子敏感

12、的微效多基因的存在具有普遍性, 在自交繁殖中存在交换和重组, 后代群体将产生带有不同数目增效微效基因的个体42。如果这些不育系在繁殖过程中, 按一般的常规良种繁殖程序和方法选种、留种, 不育起点温度较高的个体因可育的温度范围较广, 在温度经常变化且有时幅度很大的自然条件下, 结实率一般较高, 因而它们在群体中的比例不断加大, 从而2杂交水稻(HYBRID RICE ,2004,19(1 2004年1月(Jan. , 2004 出现不育起点温度的“遗传漂移”现象17。这种现象说明, 高世代光温敏不育系控制育性表达的基因尚未完全纯合42, 低、中世代光温敏不育系投入使用时也往往导致遗传基础不纯43

13、。近年, 也有学者对不育性遗传“漂变”的主要原因是不育系遗传尚未达纯合的解释提出质疑, 其理由之一:许多多基因控制的农艺性状已纯合, 为什么不育基因在多代低温选择后仍出现不育性的“漂变”; 之二:为什么新材料H N5S 只经几代纯合和两次低温选择便达到纯合稳定而至今尚未出现不育性的“漂变”。并提出育性“漂变”可能是基因突变后发生自交、相互杂交进一步积累的结果, 只是不同品种对诱变因素的敏感性不同而已, 对诱变因素敏感的易产生不育性“漂变”, 否则反之44。2. 3制种失败的原因近年, 我国两系杂交水稻正处于蓬勃发展的时期, 因而对生产实际中出现的问题密切关注, 特别对制种失败原因分析的研究报道

14、较多。陈良碧等杨远柱等41育性恢复, 漂高24。周世怀等27对安全期气候分析认为, 两系制种必须考虑的两个安全期(育性转换安全期和抽穗扬花安全期 处理不当将导致失败。汪扩军等46认为两系制种的适宜区域和季节安排不合理会导致制种失败。肖层林等21分析湖南省1993,1996,1999年制种失败的原因是由于不育系育性转换温度敏感期遇上低温天气, 使不育系育性波动, 自交结实。陈立云在两系法杂交水稻的理论与技术一书中提到两系杂交稻制种基地的选择和制种季节的安排必须合理可行, 否则制种风险大, 不能成功。3解决光温敏核不育系利用过程中出现问题的技术策略3. 1克服不育起点温度“漂变”的策略袁隆平提出实

15、施以生产“核心种子”为关键技术的光温敏不育系的提纯和原种生产程序(单株选择低温或长日低温处理再生留种原原种原种制种 可以有效地控制起点温度的“漂变”17。实践也证明, “核心种子”生产程序能在一定程度上防止不育系不育起点温度逐代提高, 保证不育系的不育起点温度始终保持在同一水平上23。当然, 根除“漂变”现象的研究还远未结束。有学者发现“核心种子”生产技术虽然能有效地控制不育起点温度的“漂变”, 但尚未达到治本的目的。该技术要求在原种生产过程中严格遵循该程序, 并且技术含量高, 一般的种子公司不能胜任, 只能“省提、省繁、基地制”, 而且每年都必须提纯, 比较繁琐, 因而提出了培育“无漂移”或

16、“缓漂移”光温敏不育系的研究课题20。有关这方面的研究报道不多, 廖伏明等42认为藉人工气候处理, 对高世代不育系不育起点温度在特定范围内进行提纯, 或高世代不育系经花药培养后自然加倍, 使基因纯合一致, 理论上从这种群体中选出的低温敏不育株应不再存在不育起点温度“漂变”问题, 并在科研实践中已取得较好的成效47。邓启云等48认为, 以微效基因作用小的不育系(如安农S 作不育基因供体, 可选育“缓漂2生产程序严格筛选后的单株和实繁殖, 因为这些不育系不育起点温度低, 甚至接近生理冷害温度, 自然条件下大规模繁殖十分困难。罗孝和在培矮64S 繁殖中首创在光温敏核不育系育性转换敏感期串灌冷水解决低

17、温敏不育系繁殖困难的问题49。周承恕等50研究证实冷水串灌能提高繁殖产量。张旭等51利用温室加温冬繁水稻低温敏核不育系培矮64S 原种获得成功。陈雄辉等52利用晚季禾桩冬繁作为选留不育系高纯度的少量种或生产原原种的途径, 获得了较高结实率。肖国樱等53用不同水温处理培矮64S 研究其繁殖效果时发现, 培矮64S 冷水繁殖的水温在1721之间, 以21较好。邓华凤54利用高海拔低产田进行低温敏不育系安农810S 的繁殖研究获得成功, 并认为温敏不育系是典型的生态型不育系, 具有较强的生态特异性, 在高海拔地区繁殖不失为一简便、高效、实用的繁殖方式。云南临沧海拔1800m 地区, 日平均温不超过2

18、1, 这些地区在一般年份种植常规籼稻结实率均正常, 专家认为不管气温怎么变, 只要能种植常规籼稻就能繁殖低温敏不育系种子, 因而在低纬度高海拔地区繁殖实用低温敏不育系种子也是可行的55。3. 3用生态技术措施解决制种问题就目前科学技术水平而言, 提前准确预测盛夏低温出现的具体时间非常困难, 要确保制种成功, 除了选择实用低温敏不育系外, 还可从生态技术措施3何强等:水稻光温敏核不育系利用中存在的问题与对策 上降低制种风险。有关这方面的研究不多, 如盛夏低温来临之时采取灌水保温措施, 可降低制种风险11; 根据确切的不育系育性敏感期, 合理选择制种基地和安排制种季节7, 这些生态技术措施可以有效

19、地预防盛夏低温对制种的危害, 降低制种风险。3. 4实用光温敏核不育系选育的技术策略降低两系杂交稻制种风险的关键技术是选育实用光温敏核不育系。所谓“实用”, 是指不育系育性转换明显, 制种风险低, 自身繁殖可靠等。许多学者提出解决制种风险问题的方法是选育临界温度低的不育系, 临界温度如能降到23、22甚至21, 在长江流域盛夏季节制种就能大大降低风险, 甚至做到“零风险”56。袁隆平根据光温敏不育系育性转换与光温变化关系的基本规律, 提炼出实用光温敏不育系的4项具体指标, 其中最关键的指标是不育起点温度必须低6。在这一技术策略的指导下, 先后有一批不育起点温度低的不育系出现, 如株1S 、陆1

20、8S 、G D -1S 等41,57, 基本上在23以下, , 繁, 因此提出选育生理下限温度低和不育起点温度低的“双低”两用不育系45, 该类型材料报道的有96-5-2S 58。近年有关于重组型光温敏核不育系的选育报道, 即通过将农垦58S 的光敏不育基因与安农S -1的温敏不育基因重组, 培育具有双重保险机制的不育系, 从而达到制种绝对安全的目的59。但农垦58S 和安农S -1都是高不育起点温度的两系不育系, 重组后为什么会出现低不育起点温度呢? 个中原因还需进一步探索。这里, 作者在将光温敏核不育系分成4种类型的基础上7, 将第1种类型和第3种类型的光温不育特性作如下假设描述, 即光温

21、的关系好像一个装了水的“U ”型管, 当在“U ”型管的一边施压时, 另一边的水就会上升, 施压力量的大小决定另一边水的上升程度, 我们把这种现象称之为“光温效应连动”。当光照长时, 光温敏不育系的不育起点温度低; 光照短时, 不育起点温度升高。据此假设, 光温敏或反光温敏不育系的不育临界光长和育性转换温度不是固定不变的, 而是动态的。但不同不育系之间这种“光温效应连动”的程度是不同的。这也正是我们选到理想两用核不育系的希望所在。因此, 我们的育种策略是:要选育在长光照条件下(13. 5h 以上 不育起点温度低(21以下 , 在短光照条件下(12h 左右 不育起点温度高(26以上 的光温敏核不

22、育系。这种不育系既制种安全, 又易繁殖。也可以选育在长光照条件下(14h 以上 不育起点温度低(21以下 , 在短光照条件下(12h 左右 不育起点温度也低(23左右 的光温敏核不育系, 这种不育系制种安全, 但需在短光照条件下进行冷水串灌才能确保繁种成功。对后者的选育, 我们已经获得成功。参考文献:1石明松. 晚粳自然两用系选育及应用初报J.湖北农业科学,1981, (7 :1-3. 2龙彭年. 中国两系杂交水稻研发成就和发展策略J.世界农业,2002, (8 :36-38. 3卢兴桂, 袁潜华, 徐宏书. 我国两系法杂交水稻中试开发的实践和经验J.杂交水稻,1998,13(5 :1-3.

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26、龙安, 尹建华. 对水稻光温敏核不育系核心种子生产的几点认识J.种子,1997, (2 :57-58.23袁隆平. 我国两系杂交水稻研究的形势、任务和发展前景J,4杂交水稻(HYBRID RICE ,2004,19(1 2004年1月(Jan. , 2004 农业现代化研究,1997,18(1 :1-3.24唐建初, 李稳香. 杂交水稻光温敏核不育系人工气候室育性鉴定技术J, 种子,2001, (6 :75.25何楚南, 采振刚, 乔遗湘. 温敏不育系制种几个技术问题浅析J.杂交水稻,1997,12(3 :45.26卢兴桂, 袁潜华, 姚克敏. 我国主要水稻光温敏核不育类型的气候适应性J.中国

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