水稻染色体组多倍化研究成果

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：稻属植物的进化特点及其潜在价值黄群策王书玉张书艮摘要概括了稻属植物的种群特征及进化特点。关键词稻属植物;种群特征;进化特点;染色体组多倍化;产量潜力在植物物种的自然演化进程中，稻是一种起源比较早、进化程度比较高的古老植物类群。稻属植物是禾本科中非常重要的植物种群，在该属内包含有23个物种，它们广泛分布于全球的热带地区和亚热带地区。

稻属植物的进化特点及其潜在价值

黄群策　王书玉　张书艮

摘要　概括了稻属植物的种群特征及进化特点。在稻属内包含2个栽培物种和21个野生物种。在水稻遗传改良中研究者目前面临着两大探索性难题，即进一步挖掘水稻的产量潜力和固定水稻的杂种优势效应。认为利用染色体组多倍化技术有助于为稻属植物遗传改良水平的提高寻找到新的突破口，提出了稻属植物遗传改良的技术策略。

关键词　稻属植物;种群特征;进化特点;染色体组多倍化;产量潜力

在植物物种的自然演化进程中，稻是一种起源比较早、进化程度比较高的古老植物类群。普通栽培稻是禾本科稻属植物中对人类社会发展有着重要影响的一个物种。在普通栽培稻中可以进一步划分为3个亚种，即籼亚种、粳亚种和爪哇亚种。从目前全球的水稻生产现状来看，全世界种植水稻的国家多达120个以上，其中95%以上的国家都以种植籼稻品种为主，这占全球整个水稻种植面积的91%以上，粳稻品种的种植面积仅为8%左右，爪哇稻品种的种植面积只有1%左右。在全球五大洲中，亚洲水稻遗传改良技术的革新、稻谷生产水平的提高和稻米消费量的增加一直特别引人注目。水稻的起源中心在亚洲，稻作文化的发展和转播对于促进亚洲社会文明的形成和发展起到了重要的作用。在水稻遗传改良领域内的两次技术革命均以亚洲水稻遗传改良技术的重大突破为显著标志，由此导致全球的水稻生产形势发生了根本性改变，进而在更高的技术层次上充分地挖掘了水稻的产量潜力^［1，2］。

1　稻属植物的种群特点

在地球上稻属(Oryza L.)植物的起源历程大约已经经历了几千万年的时间，其物种类型相当繁杂。稻属植物是禾本科稻族(Oryzeae Dumortier)中物种数目最多、分布最广泛的属。该属内的大多数物种分布于亚洲、非洲、南美洲以及澳洲的热带和亚热带湿地环境内，有4个物种主要在潮湿的林荫下的旱生环境中生长。稻属是一个具有很长的分类历史并与人类的生活密切相关的植物类群。稻属植物具有比较重要的经济价值，其细胞内的染色体组(基因组)比较小，以及水稻作为模式植物的全基因组序列测定已经完成，这些都为在分子水平上对其作进一步的研究提供了比较优越的条件。研究者认为，进一步采用分子生物学研究方法深入探讨稻属植物物种及其近缘属植物物种的系统发育关系，并在此基础上建立更为合理的分类系统将是未来研究稻属植物特征特性的主要研究方向。

稻属植物是禾本科中非常重要的植物种群，在该属内包含有23个物种，它们广泛分布于全球的热带地区和亚热带地区。学者们认为，未来水稻遗传改良的重大突破在很大程度上还将有赖于对稻属基因库内丰富的种质资源，特别是野生稻种质资源的利用和开发。由于稻属植物在农业生产中的重要作用，已经引起了众多的植物分类学家、遗传学家、育种学家和分子生物学家的广泛关注。自从林奈于1753年在植物分类系统中建立稻属以来的200多年中，无论在物种的数量和分类系统上都已经发生了很大的变化。Roschevicz(1931)对稻属植物进行全面而深入的研究之后，为稻属植物的系统分类奠定了比较好的基础。Sharma和Shastry(1965)建立的稻属分类系统在很大程度上以Roschevicz的研究结果为基础，对属以下物种以上的分类等级处理得比较合理。但是，前人对稻属的分类定义比较广泛，其中包括了好几个如今已不放在稻属内的物种。随后，Vaughan(1989)对全球的稻属标本进行了比较全面的查证和研究，由此建立的稻属系统不仅在属的界定上更为合理，而且对稻属中各个物种的形态变异、地理分布和不同物种间的亲缘关系都进行了更清楚的描述。Lu(1999)在借鉴前人大量研究工作的基础上，结合现代对稻属植物的研究成果，建立了稻属内3组7系统24物种的分类系统。

关于稻属内对属的界定和对属下等级的处理问题曾经引起了一些研究者的极大兴趣。在20世纪90年代以前，学者们利用比较广义的概念对稻属进行界定。在此之后，Lu(1999)等研究者根据稻属植物的形态学特征和细胞遗传学特性，将其界定为具有以下两大主要形态学特征的类群。其一是在这类植物的圆锥花序上的小穗只包含1个顶端可育小花，而每个小花包含1枚外稃、1枚内稃、6枚雄蕊和1枚具有二裂羽状柱头的雌蕊。其二是在这类植物的可育小花的两侧具有2枚高度退化的小花所形成的第一不育外稃和第二不育外稃，它们通过小穗轴连接在小花的基部。

由于稻属植物在粮食生产和作物育种实践中具有重要作用，所以，吸引了不少植物分类学家、细胞遗传学家和分子生物学家对其进行深入的研究。由于各学科的交叉和渗透，研究者对有关稻属分类和稻属内物种之间关系的许多问题有了新的认识，同时也引出了一些分类学方面应该考虑的问题，这些问题至少涉及6个方面。

其一是关于亚洲栽培稻(O.sativa L.)和非洲栽培稻(O.glaberrima Steud.)及其祖先物种的分类问题。学者们认为，亚洲栽培稻的祖先物种是O.rufipogon或O.nivara，其自然驯化和人工栽培的历史至少长达11 000多年。非洲栽培稻的祖先物种是O.barthii，其自然驯化和人工栽培的历史至少长达几千年。研究者提出这些观点的主要理由是，在这几种稻属植物细胞内都带有AA染色体组，而且它们具有比较近的亲缘关系。特别值得注意的是，O.sativa与其野生祖先物种O.rufipogon或O.nivara之间的亲缘关系很近，而O.glaberrima与其祖先物种O.barthii之间的亲缘关系也很近，在栽培物种与野生物种之间几乎不存在明显的生殖隔离。很明显，O.sativa，O.rufipogon和O.nivara应该属于同一个生物学物种，而O.glaberrima和O.barthii也应该属于另外一个生物学物种。一些学者将O.sativa及其野生祖先物种视为同一物种内不同的亚种，而将O.glaberrima及其野生祖先物种也视为另一物种内不同的亚种。然而，大多数学者仍然按照传统的稻属分类习惯将它们视为5个独立的物种。显然，这并没有准确地反映出这几个分类等级的亲缘关系。值得进一步研究的问题涉及是继续按照传统的观念将它们划分成5个独立的物种，还是按照其物种关系将其视为2个物种，这将是今后稻属分类中应该解决的问题。

其二是关于包含有BB染色体组，CC染色体组和BBCC染色体组的多个物种的分类问题。迄今为止，在细胞内带有BB染色体组的稻属植物只有1个物种(O.punctata)，有3个物种(O.officinalis、O.eichinger和O.rhizomatis)包含有CC染色体组，另外有3个物种(O.minuta、O.malampuzhaensis和O.schweinfurthiana)包含有BBCC染色体组。由于这些物种在形态上表现出很大的相似性，在地理分布上表现出明显的重叠性，在对其染色体倍性变化状态的研究、早期标本采集时的定名和鉴定其存在状态时，客观上存在着一定的试验误差，由此造成对于这3大类物种分类还有一些问题值得进一步研究和探讨。在这些物种的演化历程中，频繁的杂交和染色体组多倍化作用也是造成上述物种分类比较困难的重要原因。澄清这一组稻属物种的基因组类型、物种形成方式和进化机制对于更准确地进行稻属植物的分类非常重要。

其三是关于O.latifolia、O.alta和O.grandiglumis的分类问题。前人的研究结果表明，O.latifolia、O.alta和O.grandiglumis是分布于拉丁美洲的3个具有四倍性特征的多年生物种，在其细胞内均含有CCDD染色体组，具有很近的亲缘关系。近年来所获得的分子生物学证据表明，这3个物种在其演化历程中都经历过单次杂交和染色体组加倍后的遗传性变异。它们在地理分布上基本上呈现出重叠状态，而在形态上，除了O.grandiglumis具有比较大的不育外稃这一个性状之外，3个物种的外观形态特征非常相似。在传统上用来进行物种分类的检索性状(如株高、叶片宽度、小穗的形态和大小)，在它们之间均具有很大的变异。印度学者Gopalakrishnan和Sampath(1967)曾以这3个物种作为杂交亲本进行了种间杂交并对其染色体组进行了分析和比较，由此证明在它们之间的生殖隔离并不很严格，杂种在减数分裂过程中在各染色体组之间同源染色体配对正常，由此认为这3个物种很可能为同一物种内的不同变种。随后，研究者从细胞学、同工酶以及分子生物学获得的证据进一步证实了它们的同种性，并建议将这3个物种作为同一物种内不同等级进行分类则更为合适。

其四是关于O.granulata和O.meyeriana的分类问题。这2个野生物种均为二倍体，其细胞内带有GG染色体组，它们构成了单独的一个组，是稻属植物中起源最早的类群。自从1846年Padiameyeriana将该组内部分植物的研究结果正式公布之后，该组内又相继有一些物种被学者们进一步研究和鉴定，而且在物种的分类上出现了比较大的变动。对这2个物种的物种界定，曾有过多次的变化，而且研究者所采用的形态指标也有比较大的差异。通常仅以小穗的形态和长短来划分这2个物种。事实上，在这些物种中不同个体的小穗长度从大于9mm到小于5mm，呈现出连续性变异。因而，仅以小穗的长度来作为物种的划分标准显然不合理。

其五是关于O.ridleyi和O.longilumis的分类问题。关于O.ridleyi的公开文献资料最早见之于Hook1897年发表的研究报告，它是一个分布比较广泛的亚洲物种，在除菲律宾之外的东亚和西亚各国都有该物种的分布。O.longilumis是于90多年后由Jenson(1989)发表的研究报告中所涉及的另一个物种，其分布区域十分狭小，仅在印度尼西亚的伊里安查亚岛和巴布亚新几内亚的几个分布点可以寻找到其生态群落。在外观形态上O.longilumis与O.ridleyi很相似，在传统上研究者区分这两个物种的形态标准为小花的育性和不孕外稃的长度，即O.ridleyi具有比较大的可育小花并且不孕外稃的长度仅为可育小花长度的1/3～1/2，而O.longilumis的可孕小花相对来讲要小一些，并且其不孕外稃的长度大于可育小花长度的1/2。O.ridleyi和O.longilumis均为四倍体(2n =48)物种，其细胞内含有HHJJ染色体组。通过对这两个物种多个居群的形态学进行比较、物种间杂交和染色体组分析后研究者发现，小花育性和不孕外稃的长度以及这两者之比在同一物种的不同居群之间甚至同一居群内的个体之间都存在着很大的变异。在O.ridleyi和O.longilumis之间很难寻找到一个能够明确区分这两个物种的形态界限。在O.ridleyi和O.longilumis的各个居群之间存在着一定的生殖隔离，但是，这种生殖隔离并不一定仅存在于这两个物种之间，而是出现在空间距离比较远的居群之间，即在地理分布距离比较远的O.ridleyi居群之间存在着一定的生殖隔离，而空间距离比较近的O.ridleyi和O.longilumis居群之间并无明显的生殖隔离。细胞学研究结果表明，在这两个物种之间的杂种植株进行减数分裂时，同源染色体的配对状态表现为正常。由此可见，这两个物种虽然处在遗传变异的极端个体中，在某一性状上存在着明显的形态差异，但是，它们并没有达到物种之间的差异性水平，更没有形成严格的植物物种之间特有的生殖隔离特性。

其六是关于Porteresiacoarctata(= O.coarctata)的归属问题。在1965年以前的各种稻属植物的分类系统中，研究者均将Porteresiacoarctata视为稻属内的一个物种(即O.coarctata)。Tateoka(1965)曾对O.coarctata的小穗形态、叶片解剖结构和胚形态进行过深入的研究，由此认为这个物种应该独立于稻属之外而另外成为一个属，并将其上升为独立的属(Porteresia)。然而，后来的一些研究结果，特别是植物分子系统学研究结果表明，O.coarctata植物总是与稻属内的物种聚集在同一类生态条件下生长发育，而与稻族的其他属植物有比较远的生态距离。有性杂交试验所获得的结果表明，O.coarctata是整个稻族中唯一能够成功地与稻属内物种进行有性杂交而能够产生杂种的一个种群。Geetai(1999)利用分子生物学技术对稻属内23个物种之间的亲缘关系以及稻族内几个近缘属之间的亲缘关系进行了研究。在这项植物分子系统发育的研究中，以2个核基因(即Adh1基因和Adh2基因)和1个叶绿体mat K基因的分子序列为研究对象进行了分子检测。研究结果表明，在这3个基因树中O.coarctata总是与O.schlechteri聚在一起，并且其统计支持率都相当高，由此揭示出这两个物种(O.coarctata和O.schlechteri)的细胞内均含HHKK染色体组。基于此项研究所获得的结果，有些研究者建议将O.coarctata重新归回到稻属之中。然而，无论在生存环境方面还是在形态特征方面，O.coarctata植物均与稻属内其他物种有比较大的差异，故其归属问题还有待在获取更多的分子系统学研究资料之后才能加以确认。

2　稻属植物的起源及其进化特点

在稻属植物的起源方面，一些研究者给予了高度的关注并获得了一些有意义的研究结果。在全球范围内稻属植物的起源大约经历了几千万年，其种类相当繁杂而种群的多样性相当明显，它们广泛分布于亚洲、非洲、大洋洲和中南美洲各种各样的生态区域内。自从1931年Roschevicz将稻属植物分为4个区组19个物种之后，许多学者根据进一步的研究结果对其分类方式和物种命名提出了一些改进意见，现在得到大多数研究者公认的稻属植物分类方案主要是由国际水稻研究所的张德慈于1976年提出的方案。这个方案将稻属植物划分为20个物种，其中只有两个物种是栽培稻(即亚洲栽培稻和非洲栽培稻)。非洲栽培稻的分布区域仅限于西非这样一个很小的地方，可能是起源于当地的长雄蕊野生稻。在世界上栽培的稻属植物主要是亚洲栽培稻，它虽然起源于亚洲，却已经广泛分布于全世界不同的生态区域。除了亚洲的东部和南部地区(约占稻谷产量的90%)以外，在欧洲、非洲、美洲和大洋洲区域内亚洲栽培稻也都有少量的分布。

关于亚洲栽培稻与普通野生稻的亲缘关系问题已经有一些研究者进行过比较深入的探讨。在亚洲栽培稻内包含有3个亚种，即籼稻、粳稻和爪哇稻。经过长期的人工栽培，亚洲栽培稻的生态型种类已经非常多。从生态习性来划分有水稻和陆稻，而以水稻的数量占绝对优势;从所含淀粉的特性来划分有糯稻和非糯稻，而非糯稻的数量所占比例明显的大;以成熟期来划分有早稻、中稻和晚稻的区别。在亚洲栽培稻的每一类生态型中都有籼粳之别，又都包含有许多特定的品种。追根溯源，它们的野生祖先都只是一个，即普通野生稻。

普通野生稻广泛分布于南亚、东南亚和中国的南方区域，其学名曾有O.perennis，O.fatua和O.spontanea等，大多数学者现在已经将其统称为O.rufipogon。有些研究者有时也用O.spontanea专指杂草型的普通野生稻，而用O.rufipogon专指具有多年生特性的普通野生稻。普通野生稻在生活习性上喜欢高温、多湿和阳光充足的环境条件，它们主要生长在热带和亚热带的沼泽地带。大多数普通野生稻植株为多年生，匍匐茎，分蘖繁殖，抽穗时间不一致，籽粒易于脱落。有一些野生稻植株为一年生，在中国安徽巢湖地区发现的浮稻和江苏北部发现的稆稻便都是一年生的野生稻。据有关专家证实，一年生普通野生稻都是由多年生普通野生稻演化而来。有些研究者认为普通野生稻是一个遗传类型相当丰富的大群体，其中有多年生的类型，也有一年生的类型。在多年生普通野生稻中又可以进一步划分为匍匐型、倾斜型和半直立型3种。在一年生普通野生稻中也可以进一步划分为倾斜型、半直立型和直立型三种。显然，只有一年生直立型与普通栽培稻在植株形态上很接近。

有关专家的研究结果表明，在普通野生稻中有偏籼、偏粳和籼粳中间型的区别。在我国的江西、湖南和广西北部的普通野生稻大多数偏粳，海南岛的普通野生稻则以偏籼为主。这样看来，普通栽培稻内的两个亚种似乎是从两种不同的普通野生稻衍生而来。然而，在籼稻和粳稻之间并不存在着严格的生殖隔离。近年来有些研究者提出一个设想，即主张粳稻起源于普通野生稻(O.rufipogon)，而籼稻起源于印度野生稻(O.nivara)。但是，有些研究者根据O.nivara的进化历程，认为它是由O.rufipogon演化而来，更何况在中国和印度都有O.rufipogon和O.nivara的原始生态区域，中国在史前期所种植的栽培稻并不都表现为粳型，而是籼稻与粳稻并存，所以，关于栽培稻的起源问题还值得进一步探讨。

在我国的多年生普通野生稻，其最靠北的分布区域已经达到江西省鄱阳湖的南岸(即东乡县)，地理位置为北纬28°14'。具体地点在该县东南部东源乡刘家山南坡的沼泽地带。在此地带生长的普通野生稻都是丛生状，每丛有数百株之多，个体之间十分密集。稻茎的下段匍匐而上段直立，株高为60～80cm。在此地生长的大部分普通野生稻要到十月份才会成熟，极易脱粒，大约七八成黄熟就会掉落。据有关专家推测，由这种偏粳型的普通野生稻演变为分布纬度更高的一年生野生稻(如安徽巢湖的浮稻和江苏北部的稆稻等)。粳稻更耐温凉的特性不一定是人工栽培后才获得，很可能由野生祖先物种直接遗传下来。等到进行人工栽培之后，一部分被传播到纬度更高的北方地区，耐低温的特性得到进一步巩固，与籼稻在特征特性上的区别越来越明显，它们最终发展成为两个亚种。东乡普通野生稻被发现的意义在于，由此证实了长江流域有可能在很早以前就生长着一些特殊的普通野生稻，因而有直接培育野生稻为栽培稻的生态条件。以往一些研究者根据普通野生稻的生活习性和分布特点，认为只有在北纬24°以南地区普通野生稻才能正常生长，历史上记载的野生稻或近代研究者在考查中发现的野生稻，都不过是栽培稻野性化的结果。东乡普通野生稻的发现证明了以往一些研究者的这种推测并非很客观，其最后的结论还有待于进一步研究。

在关于普通栽培稻起源问题探讨时，研究者一直有一个问题感到迷惑不解，即普通栽培稻是由普通野生稻进化而来，而在普通野生稻的起源中心区域反而难以发展稻作农业。对于此问题近年来有些研究者进行了探讨，试图以华南地区为例来加以说明。在那里的气候炎热多雨，长夏无冬，天然食物资源非常丰富，而且在全年都能够获取各种各样的天然食物。虽然野生稻华南地区到处都有，但是在各种具有可食性的植物中差不多是最难采集也最难加工的植物，其味道在当时的人们看起来也不见得很好吃。因此，人们平常采集普通野生稻的活动就不会很多，更没有必要去进行人工培育与繁殖，这样也就难以成为稻作农业起源的重要地区。

关于普通栽培稻的“山地起源说”，近年来一些研究者提出了不同的意见。20世纪70年代初，日本京都大学的渡部忠世曾提出稻作农业的“山地起源说”，认为从印度东北部的阿萨姆、缅甸北部到中国云南的山岳地带是稻作农业的起源中心。随后，佐佐木高明则提出阔叶树林文化的概念与之相互配合，这在全球农学界曾引起相当大的学术震动。“山地起源说”的立论根据主要是因为在那里存在着多种野生稻种群，现代栽培稻品系的种类也特别丰富，许多大江大河都发源于那些地方，因而可能将不同的稻种材料传播到中国、印度和东南亚的各个生态区域。然而，有些研究者对此提出了不同的看法。稻作农业是一种文化现象，必须在人类文化发展到一定程度，产生了培植谷类作物的社会需要，才会将其变成社会的行动。阿萨姆－云南山地史前文化很不发达，在那里的食物资源又比较丰富，不会产生人们种植稻谷的迫切需要。即使偶尔种植也不会很快发展起来，更没有力量将其向距离遥远而文化发展水平比较高的地区传播。在那里的史前文化并不是一个统一体而是各有特色，看不出那里的文化对周围的比较先进的地区有什么影响，反而是受到了周围文化的影响。由此看来，那里稻谷多型性的特点，除了地形复杂而造成的小气候复杂的因素以外，外部不同稻种的传入也可能是一个重要的原因。除此之外，栽培稻的野生祖先物种是普通野生稻，在阿萨姆－云南山地的各种野生稻中，普通野生稻恰恰很少。普通野生稻生长在沼泽地带，而山区很少有这样的生态环境。由此可见，“山地起源说”的客观性还有待于进一步探讨。

2002年12月18日在韩国忠北大学主办的第一届亚洲农业起源与小鲁里遗址研讨会上我国学者严文明提出了“边缘起源理论”，试图对稻作农业的起源问题作出合理的解释。最初他提出稻作农业在长江流域起源，其依据主要是长江流域只是普通野生稻生长的北部边缘，它同野生稻生长的中心地区的作用应该有所不同。后来发现，普通野生稻生长的中心区域实际上难以成为稻作农业起源的中心，而其边缘区域才有可能具有对其进行驯化和筛选的必要的社会条件。1994年7月在日本佐贺召开的讨论东亚稻作起源的国际会议上，他正式提出了稻作农业起源的边缘理论。这个理论的要点主要涉及两个方面。其一是基于普通野生稻的生长习性，只有在它分布的边缘区域才可能进入北纬24°以北的亚热带地区。在那里的气候条件是四季分明，在冬季人们的食物比较缺乏，需要某种可以储存到整个冬季都可以享用的食物作为补充，稻米正好符合了这种需要。其二是普通野生稻的数量在边缘分布区域肯定比中心区域少得多，自然状态的产量不可能满足人们的日常需要，从而有必要对其加以人工栽培。只有通过人工栽培，稻种才能安全过冬并得以继续繁殖。“边缘起源理论”是根据长江流域的实际情况而提出，在客观上当然最适合于长江流域的稻作演化历程。长江流域具有湿润的亚热带季风气候条件，是地球上同一纬度地区气候条件最好的区域，又有广阔而肥沃的冲积平原，因而在这一区域人类的史前文化非常发达。

在探讨稻属植物起源和进化问题时，一些研究者对于小鲁里出土的稻谷给予了高度关注。小鲁里是一个旧石器时代的人类遗址或旧石器出土地点，在它的近旁出土了多达59粒的稻谷和类似稻谷的物质。发掘者做了很细致的工作，包括泥炭的分层、孢粉分析、系统的年代测定、稻谷形态的鉴定和DNA分析，甚至注意到杂草等植物遗存和对昆虫的研究。研究结果表明，小鲁里的59粒稻谷和类似稻谷的物质都是在中部尼炭层，这个泥炭层是自然层而不是文化层。在自然层中出土的稻谷有一部分是栽培稻谷。小鲁里稻谷的粒型比较短宽而厚实，应该属于完全成熟的圆粒形栽培稻，不像起源时期的栽培稻。从逻辑推理来看，即使一万多年以前已经开始种植稻谷，那时的稻谷也应该具有明显的原始性，即具有某些野生稻的形态特征，而在小鲁里的稻谷上完全看不出来。根据徐学洙对标本稻谷进行DNA分析的结果，它们与现代栽培稻或野生稻只有39.6%的遗传类似性。从目前的研究结果来看，关于小鲁里出土的稻谷在栽培稻起源过程中所显示出来的学术价值则值得进一步研究。

稻属植物内各个物种的基因组特征及其遗传关系，研究者也给予了高度的关注。研究人员通过各种育种技术，尤其是分子育种技术，将野生稻中大量的有利特性或基因(如高产、矮化、抗病、抗虫和抗逆境等)已经成功地转入到普通栽培稻中，由此使得全世界的水稻产量潜力在近几十年内将会有大幅度地提高。研究者发现，在普通栽培稻的近缘野生物种的基因库中还蕴藏着大量宝贵的遗传资源，对这些遗传资源的利用必须建立在对水稻及其近缘野生物种的生物学特性有比较深入的研究和了解之上，以及有赖于可靠的稻属分类系统和明确的物种间进化关系。然而，在我国南方8个省(区)的热带、亚热带湿热环境中生长着3种野生稻，它们分别是普通野生稻、药用野生稻和疣粒野生稻。近年来，由于人为的干扰和生态环境被破坏已经导致它们的居群大量绝灭，其中濒危程度最高的是普通野生稻。

一些研究者最早从保护生物学的方面开展研究，收集了稻属内全部物种类群和若干近缘属的野生材料，并从每个类群材料中取2～3份样品分别提取了DNA样品备用。在前期工作中他们还完成了大部分类群的matk基因和Adh基因的测序。在1998年和1999年，完成了稻属全部23个物种中每个物种的叶绿体matk基因和核Adh基因的测序和系统发育分析，发现和定义了稻属中唯一一个未知物种的基因组构成(HHKK)，在世界上首次构建了稻属全部10个基因组之间的关系，初步确定了稻属内各个物种之间的系统发育关系。此项研究还阐明了稻属中大多数异源四倍体的起源，并确定了一直有争议的Porteresia coarctata的系统位置，证明它是稻属的一个物种。据一些研究者所获得的研究结果，Porteresia coarctata具有比较强的抗盐特性，一旦从中找到抗盐性基因，就可以通过各种生物技术方法使栽培稻也获得抗盐特性。

除了在“稻属的分子系统学研究”取得重大成果，一些研究者还在“稻属基因组原位杂交”上取得了重要突破。为了克服稻属基因组原位杂交的技术难题，研究者采用双探针原位杂交方法对药用野生稻复合体基因组之间的关系进行了系统研究，半定量化地确定了B、C、D、E四个基因组彼此之间的分化程度及其差异性，首次发现四倍体药用野生稻具有BBCC染色体组的遗传基础，并在南美洲的野生稻中鉴定出D基因组的染色体。

一些研究者通过对广东、海南、广西和云南等省区20个县(市)约80多个点进行详细调查和观测的基础上，共采集了多个物种天然居群的种质资源，其中包括60多种普通野生稻，40多种疣粒野生稻和30多种药用野生稻。现在已经初步建立了我国三大野生稻的总DNA库，并采用等位酶和RAPD等分析技术，对我国三大野生稻资源进行了大规模的检测，已经基本上确定了其遗传多样性水平和自然居群的遗传结构，为野生稻物种资源的人工保护、资源开发和改良利用奠定了理论基础。除此之外，研究者利用RAPD分析技术发现，在中国天然居群的普通野生稻与在巴西天然居群的普通野生稻相比，前者的遗传变异状态明显地高于后者的遗传变异状态，由此揭示出生长在中国的普通野生稻和生长在巴西的普通野生稻之间存在着十分明显的遗传分化，这为将巴西的普通野生稻归类为另一物种提供了新的分子生物学证据。

在稻属植物的细胞遗传学研究方面，陈瑞阳等(1982)首次报道了普通野生稻、药用野生稻和疣粒野生稻的体细胞核型状态，由此认为在我国不同地区的普通野生稻生态群体内可能还存在着核型多样性，并进一步推测核型多样性很可能与其形态变异密切相关。田自强等(1980)对我国3种野生稻G－带、东乡普通野生稻的减数分裂行为以及这些野生稻与栽培稻的亲和性问题进行了研究。此外，他们还对我国稻属内的4个物种的在粗线期的核型进行了比较研究。研究结果表明，O.rufipogon与O.sativa的亲缘关系最为密切。然而，不同学者对稻属内多个物种的细胞核型的研究结果不尽相同，在同一物种内不同生态型材料的细胞核型也存在着比较明显的差异，尤其在普通野生稻内不同来源的生态型材料，其体细胞核型之间、粗线期核型之间以及体细胞与粗线期核型之间均存在着比较明显的差异。有些研究者认为，这些差异的存在可能是由于研究方法不同所导致。陈锦华等(1993)以采自湖南省和江西省自然生态条件下的多种普通野生稻为研究材料，对其染色体G－带进行了比较分析，由此发现其中存在着明显的多态性，这似乎支持前人的研究结果。但是，有些研究者对于陈锦华等的研究结果有不同的看法，认为在上述研究中缺乏居群取样，试验材料的来源不一致，由此很难阐明其研究结果中染色体G－带差异的根本原因。普通野生稻广泛分布于我国的热带地区和亚热带地区，其变异类型相当复杂，遗传多样性相当明显。对于这样的野生植物种群，在研究中有必要通过广泛的居群取样方式来进一步探讨其变异状态。导致以上争议的另一个重要原因就是，稻属植物细胞内的染色体太小，在试验中不便于分析，更为有效的研究途径是采用粗线期的二价体作为进一步的核型分析，或者通过rDNA的原位杂交来解决基因组中携带18S rDNA、8S rDNA和26S rDNA的位点数目。(www.chuimin.cn)

利用酯酶同工酶对中国稻属内物种间亲缘关系的研究表明，普通野生稻的酯酶酶谱和谱带数目表现出明显的多样性，其酶谱的表现与栽培稻酶谱的表现比较相似，而与药用野生稻或疣粒野生稻酶谱的表现有很大的差异。前人所获得的这些研究资料具有一定的学术价值，即这些研究结果主要利用同工酶的谱带特征对试验材料进行定性的描述(谱带的有无、谱带的多少、谱带迁移速度的快慢等)，为我国稻属植物的研究提供了部分有关生化性状特征的研究资料，也为探讨普通野生稻与栽培稻的亲缘关系提供了一些佐证。但是，在这些研究中所利用的酯酶同工酶是一种谱带很多并且其谱带表现状态明显地受到器官的发育状态和植株的发育阶段影响的酶系统，研究者并未对酶谱的表现状态进行遗传分析，在对研究结果进行分析时也仅仅是简单地将其作为表现型性状进行处理，因而其学术价值还有待于进一步探讨。尽管如此，研究者已经从各种层次上阐明了我国栽培稻与3种野生稻的亲缘关系，并趋同于形成了一个结论，即在我国稻属植物内，普通栽培稻与普通野生稻的亲缘关系最近，与药用野生稻的亲缘关系次之，而与疣粒野生稻的亲缘关系最远。这一研究结论支持我国普通野生稻是普通栽培稻的祖先这一学术观点。值得特别注意的是，这些研究结果对于整个稻属植物物种的系统学意义则非常有限，因为普通栽培稻与普通野生稻共享AA基因组，药用野生稻为CC基因组，疣粒野生稻为GG基因组，它们在分类学上各属于一个复合体，其物种界限相当清楚。

关于普通野生稻生态群内是否存在着籼粳分化的问题是研究普通栽培稻起源问题的一大热点。Second(1985)通过同工酶研究后认为，我国的普通野生稻与普通栽培稻中的粳稻很相近，这一结论得到了Sano等(1989)对东乡普通野生稻的rDNA长度变异性研究和肖晗等(1997)对叶绿体DNA的RFLP研究结果的支持。根据近年来研究者们在同工酶、核DNA、线粒体DNA、叶绿体DNA和DNA重复序列等方面的研究结果，除了少量的原始型普通野生稻之外，生长在我国自然条件下的大多数普通野生稻存在着籼型或粳型的分化，但是，在核DNA、线粒体DNA、叶绿体DNA以及DNA重复序列中不同材料的籼粳分化程度并不完全一致。在核DNA上大多数普通野生稻偏粳型，只有少数材料偏籼型。在mtDNA上则大多数普通野生稻偏籼型，少数偏粳型。在cpDNA上普通野生稻的籼粳分化的比例大致为1∶1。然而，王象坤等(1997)利用29份中国普通野生稻为研究材料所获得的研究结果表明，其重复DNA序列皆表现为偏籼型。从客观上来分析，在自然条件下籼粳分化是亚洲栽培稻演化的两大主流方向，对普通野生稻的进化生物学进行研究并不仅仅意味着探讨其籼粳分化问题，诸如探讨亚洲栽培稻在其演化过程中居群遗传结构及其进化要素的作用等，也是对其进化状态和进化特点进行研究的另一个重要方面。有些研究者认为，普通栽培稻的渗入杂交以及“分化－杂交环节”的反复作用是中国普通野生稻在形态、蛋白质和DNA诸水平上产生丰富多样性的根本原因。目前在遗传上对普通栽培稻的渗入杂交在很大程度上促使普通野生稻呈现出相当复杂的形态变异。但是，考虑到普通栽培稻的遗传变异水平比其祖先物种低得多，其花粉的流入是否会在蛋白质水平或DNA水平上亦体现出丰富的遗传多样性，研究者尚难定论。有些研究者认为，普通栽培稻频繁的基因流入似乎会在一定程度上阻止普通野生稻居群内和居群间的遗传分化。对于普通野生稻这种异交方式为主的植物，其自身的基因流对于其居群内遗传结构的影响是否会更重要的问题则值得进一步探讨。

3　稻属植物遗传资源的潜在价值

在水稻遗传改良中研究者目前面临着两大探索性难题，即在超级稻产量水平已经达到一定程度的基础上如何进一步挖掘水稻的产量潜力和通过何种有效途径固定水稻的杂种优势效应。在全球范围内人口不断增加而可耕地不断减少的矛盾正是人类面临的而迫切需要尽快解决的严峻问题之一。利用现代生物技术对植物体进行有效的遗传改良，创造出具有更大增产潜力的新作物或作物新品种是解决人类粮食安全问题的重要途径。水稻是目前我国禾谷类作物生产中分布范围最广、种植面积最大、单位面积产量最高的第一大粮食作物。我国水稻遗传改良的突出成就主要是20世纪60年代的矮化育种和20世纪70年代的水稻杂种优势利用。杂交水稻育种在继20世纪70年代中期“三系法”获得成功之后，在20世纪90年代中期“两系法”又取得了令世人震惊的突破性进展。然而，在“两系法”杂交水稻育种已经取得重大成果的前提下，如果继续按照常规的水稻育种方法试图进一步提高水稻单位面积产量则其育种困难更加明显，探索性难度更大。根据杂交水稻育种的战略设想和水稻育种实践，在稻属植物内还存在着很大的产量潜力有待于挖掘，通过不断地改进育种技术可以在更高的层次上进一步探索利用水稻杂种优势效应的新途径。

从水稻育种的发展进程来看，水稻育种方法的创新主要围绕着三个方面展开研究，即如何更有效地创造出丰富多彩的遗传性变异群体和怎样更准确地筛选出具有实用价值的优良基因型以及更有效地利用其潜在的增产优势。从水稻育种的发展趋势来看，由于我国人口不断增加而可耕地面积不断减少以至于粮食供求关系出现很大的反差，迫切需要挖掘单位面积上的增产潜力，因而，水稻育种的目标就是在充分利用品种间杂种优势的基础上进一步利用亚种间杂种优势，不断地探索利用物种间杂种优势的可能性。国外实施水稻超高产育种计划首先始于日本，1980年日本政府曾制定了一个以利用籼粳杂交优势和优良基因聚合效应为主要技术路线的15年稻米超高产育种计划。随后，国际水稻研究所也实施了相应的水稻超高产育种计划。然而，经过20多年的探索之后，他们均未达到预期的研究目标。从国内的研究现状来看，我国水稻超高产育种计划的实施则后来居上，无论是水稻常规育种还是水稻杂种优势利用均已经取得了令世人瞩目的研究成果。从水稻育种的技术来看，我国超级稻育种的技术路线主要建立在理想株型的创造与杂种优势的利用相结合的基础之上;我国水稻常规育种的技术路线主要在水稻生态育种和亚种间优良基因聚合的科学体系中展开。总的来看，立足于在二倍体水平进一步挖掘水稻的增产潜力是国内外水稻超高产育种的主要特点^［4－11］。

近年来分子生物学的研究结果已经证实，普通栽培稻是二倍体，其基因组在农作物基因组中最小，染色体也比较小。从物种倍性水平的进化程度和染色体大小的适宜性来看，适当增大水稻基因组，特别是异源基因组，提高其倍性水平，促进物种升级，不仅有可能大幅度挖掘水稻的增产潜力，而且有可能增大其变异范围，增强其适应性。

尽管我国超级稻育种，特别是超级杂交水稻育种已经取得了令人瞩目的重大研究成果并在生产上取得了明显的经济效益和社会效益，但是，稻属植物的潜在价值和产量潜力仍然有待于我们进一步挖掘，稻作科学的技术体系尚需要我们进一步补充和完善。从稻属植物的产量潜力和稻作研究的技术体系来看，在水稻遗传改良领域我们仍然面临着两大难题需要进一步探索，即如何在促进稻属植物在物种升级的过程中进一步提高其产量潜力和怎样才能固定稻属植物的杂种优势效应。根据袁隆平先生提出的杂交水稻育种的思路，亚种间杂种优势比品种间杂种优势更强，种间远缘杂种优势比亚种间杂种优势更强，利用物种间远缘杂种优势是杂交水稻超高产育种的探索方向之一。一些研究者认为，通过染色体组多倍化之后，对同源多倍体水稻和异源多倍体水稻进行更深入地研究有可能为解决稻属植物遗传改良中的这两大难题寻找到新的突破口，由此将进一步完善稻属植物的科学研究体系。

近年来的研究结果已经证实，在稻属内存在着23个物种，其中有9个异源四倍体物种，即高秆野生稻(O.alta)、大护颖野生稻(O.grandiglumis)和阔叶野生稻(O.latifolia)携带CCDD染色体组，非洲野生稻(O.schweinf)、马蓝普通野生稻(O.malampuzhaensis)和小粒野生稻(O.minuta)携带BBCC染色体组，马来野生稻(O.ortidleyi)和长颖野生稻(O.longiglumis)携带有JJHH染色体组，小粒野生稻(O.punctata)携带有HHKK染色体组。由此可见，在稻属内存在着异源多倍体物种，这是稻属植物在自然条件下不断进化的结果。

随着国内外水稻遗传育种水平的不断提高，其研究难度越来越大，迫切需要对现有的水稻种质资源进行有效的遗传改良。根据稻属分类学的研究结果，栽培稻包括两个物种，即亚洲栽培稻(普通栽培稻，Oryza sativa L.，2n=2x=24)和非洲栽培稻(光稃稻，O.glaberrima Steud，2n=2x=24)。在栽培稻的两个物种中，亚洲栽培稻的应用范围比较宽，而非洲栽培稻的应用范围比较窄。非洲栽培稻起源于非洲西部。由于它的产量比较低，种植面积很小，目前仅在西非的一些农业生态环境中被当地的农户栽培。然而，非洲栽培稻在米质和抗性等方面具有一些有待于进一步挖掘的优良性状。从对稻属植物遗传资源的研究现状来看，研究者对普通栽培稻的种质资源研究得比较深入。

在普通栽培稻中，遗传资源相当丰富。普通栽培稻在亚种分级上主要分为籼亚种和粳亚种或籼亚种、粳亚种和爪哇亚种。大多数学者倾向于只将其分为籼亚种和粳两个亚种。在亚种内可以将其划分为生态群、生态型、品种或生态群、生态型、变种和品种。在具体的分类中，生态群和生态型的性状及其分类指标尚未统一。在分类方法上研究者主要以形态特征，杂交亲和力，同工酶和植物学性状综合数值等技术指标进行分类。除此之外，一些研究者根据分子水平上的差异性对籼型材料或粳型材料进行鉴别与分类。然而，目前关于普通栽培稻内亚种间的亲缘关系、遗传上的亲和性以及亚种间杂种优势的效应等问题仍然是普通栽培稻分类学研究的主要方向。

在20世纪初研究者通过大量的研究和论证后就已经确定，在生物界存在着两种特定的优势现象(即生物杂种优势现象和生物染色体组多倍化所导致的优势现象)，这两种特定的优势现象有助于生物体的生存和进化，也有助于生物新物种的形成和演化。对水稻杂种优势现象的研究和应用已经产生了巨大的社会效益和经济效益。然而，关于水稻染色体组多倍化所导致的优势现象仍然处于探索性起步阶段，其潜在的利用价值近年来已经引起了一些研究者的关注^{［11－18］}。基于目前的研究现状，在利用稻属植物的遗传资源对水稻进行有效的遗传改良中，其技术策略主要瞄准3个方面展开研究。其一是以多倍体水稻为基础，将野生稻种内的优良基因转入到水稻中，以便对现有的水稻资源进行更加有效的改良。其二是以野生稻与栽培稻的杂交后代为基础，寻找具有无融合生殖特性、宿根特性和强再生特性的新种质，为水稻杂种优势的多代利用和固定研究提供物质基础。其三是以野生稻与栽培稻的杂交技术和染色体组加倍技术为基础，在稻属植物中创造出异源多倍体新物种，促进稻属植物的物种升级，在更高层次上利用物种间的杂种优势效应进一步挖掘水稻的产量潜力。

参考文献

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