水稻染色体组多倍化研究-探索其潜在价值

水稻多倍化及其同源多倍体的潜在价值⁽¹⁾

黄群策　代西梅

摘要　在水稻遗传改良领域我们面临着两大难题需要探索，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。在同源多倍体水稻的研究中存在着三大局限性，即思想观念的局限性、材料数量或材料类型的局限性和技术思路的局限性。在对同源三倍体水稻和同源四倍体水稻的研究中已经发现了值得注意的四种奇特现象，即同源三倍体水稻的结籽现象及其倍性的遗传稳定性、在异倍性水稻间的杂交后代中早世代性状稳定遗传的现象、在隔离条件下胚自发现象和同源四倍体水稻单株的高结实现象。为了挖掘同源多倍体水稻的潜在利用价值，在今后的研究中有如下5条途径值得探索，即探索直接利用同源四倍体水稻的可能性、探索在同源四倍体水平利用同源四倍体水稻杂种优势的可能性、探索在同源多倍体水平固定水稻杂种优势的可能性、探索以同源多倍体水稻为桥梁完成异源遗传物质转移和丰富水稻基因库的可能性和探索在同源多倍体水平水稻特征特性的遗传规律。

关键词　同源多倍体水稻;研究思路;潜在价值

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“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途径^［1～3］。在现有的稻作科学研究的基础上，试图进一步挖掘水稻的产量潜力则有赖于探索出水稻遗传改良的新的技术思路、技术路线和研究方法以及相应的技术程序。目前，关于水稻生物学的有关知识和水稻遗传育种学原理主要来源于以二倍体水稻(2n=2x=24)为研究材料所获得的研究结果，而对于多倍体水稻的生物学特性我们所积累的经验太少，以至于许多研究者都以传统的观点看待和评价多倍体水稻的特征特性。现有的研究结果表明，多倍体水稻的特征特性有待于我们进行更深入的研究，其潜在价值还有待于我们不断地挖掘^［4，5］。多倍体水稻包括同源多倍体水稻、异源多倍体水稻和同源异源多倍体水稻等多种类型。我们认为，从遗传组成的复杂性、研究难度和实际应用的角度来看，近期首先应该对同源多倍体水稻的特征特性进行深入研究，随后再对异源多倍体水稻和同源异源多倍体水稻的特征特性进行深入研究。根据现有的资料，在研究同源多倍体水稻的过程中首先应该立足于对同源三倍体和同源四倍体水稻的特征特性及其潜在价值进行深入研究，接着再研究其他类型的同源多倍体水稻。

1　在水稻遗传改良中所面临的两大探索性难题

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地遗传改良，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问题的重要途径。水稻是我国目前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。近年来我国超级稻育种的研究成果令国外同行专家感到震惊和钦佩。然而，我国水稻科学的技术体系主要来源于以二倍体水稻为材料所进行的一系列研究结果，国内外水稻超高产育种的技术路线都立足于在二倍体水平利用现代育种技术挖掘水稻的杂种优势潜力，而对于同源四倍体和同源四倍体水稻的特征特性我们所积累的经验和知识相当有限。

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，在具体的研究过程中主要有4条技术路线;我国水稻常规育种的技术路线主要按水稻生态育种和亚种间优良基因聚合的科学体系展开。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。

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和赞誉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，稻作研究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。我们认为，通过染色体组多倍化之后对同源多倍体水稻进行更深入地研究则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。

2　在同源多倍体水稻研究中的三大局限性

尽管我们对同源多倍体水稻的研究已经历时了50多年，对其特征特性已经积累了一些经验和获得了一些知识，但是在该研究领域内还有大量的问题有待于进一步研究，也有一些奇特的生物学现象使我们感到迷惑不解。从同源多倍体水稻的研究现状来看，存在着三大局限性［思想观念的局限性、材料数量(或材料类型)的局限性和技术思路的局限性］应该引起我们注意。

在同源多倍体水稻的研究中，思想观念的局限性主要表现在许多研究者面对多倍体水稻中所存在的问题，都以传统的观点来看待和评价其特征特性，以至于对一些超常规的生物学现象感到迷惑不解。其实，从物种进化的角度来看，尽管生物界物种的类型千变万化而不同物种的进化方式完全不同，但促使生物界物种升级的有效途径主要有3条，即渐变途径、突变途径和染色体组多倍化途径。利用多倍化技术使二倍体水稻成为同源多倍体水稻的实质就是通过促使二倍体物种升级而获得了新的多倍体物种。在自然界新物种产生之后还要经过千百万代的自然筛选才能形成相对稳定的种群，而从野生物种到栽培物种所经历的时间也相当长。利用人工方法创造一种具有潜在利用价值的新作物比在某一栽培作物中培育一个新品种要困难得多，其复杂程度难以想象。面对同源多倍体水稻研究中所出现的一些特殊的生物学现象如果仅仅根据在二倍体水稻研究中所积累的经验或知识给予解释而不抓住染色体组多倍化基础上的特殊性，其结果往往使研究结论不可避免地带有一定的片面性。因此，只有以新的观念看待同源多倍体水稻研究中所出现的问题，在分析问题时不受传统观念的影响，才有可能寻找到其客观规律并揭示其本质特点和潜在价值。

在同源多倍体水稻的研究中材料数量(或材料类型)的局限性主要表现在经过50多年的诱导和研究，目前我们所获得的同源多倍体水稻材料的数量尚未超过1 000份，材料的生态类型或基因型相当有限。在有限的同源多倍体水稻材料中所发现的一系列特征特性并不具有普遍性，而试图利用现有的材料寻找其遗传变异规律和确定其潜在价值似乎是不可能的。在二倍体水稻的遗传改良中，研究者所利用的稻种资源数多达21.5万份，其中品种7万多个，但在生产上有重大影响的常规稻品种或杂交稻组合屈指可数，在20世纪60年代的IR8，70年代的桂朝2号、双桂和南优2号，80年代的汕优63在当时生产上都表现出明显的产量潜力和深远影响力。

在同源多倍体水稻的研究中技术思路的局限性主要表现在以同源多倍体水稻为研究材料所获得的研究资料均比较零散，缺乏研究的系统性，尚未通过一条研究主线瞄准一个主题展开研究。到目前为止，还没有一位研究者明确地提出一条切合实际的技术思路，以至于在同源多倍体水稻的研究中表现出明显的随意性。

3　在同源多倍体水稻研究中所发现的四种特异现象

按照传统的细胞学观点和遗传育种学观点，同源多倍体水稻在雌雄配子或雌雄配子体的发育过程中同源染色体不能实现两两配对而导致减数分裂异常，由此不能形成具有正常生活力和受精能力的雌配子或雄配子，最终导致结实率低或难以获得实粒种子。然而，在对同源三倍体水稻和同源四倍体水稻的研究中已经发现了值得注意的四种奇特现象，即同源三倍体水稻的结籽现象及其倍性的遗传稳定性、在异倍性水稻间的杂交后代中早世代性状稳定遗传的现象、在隔离条件下的胚自发现象和群体内某些单株的高结实现象。

以同源四倍体水稻为母本，以二倍体水稻为花粉供体通过有性杂交获得同源三倍体水稻。连续多代的研究结果表明，在花药表现为畸形而无花粉粒的隔离条件下同源三倍体水稻可以部分结籽，其结实率因材料类型不同而异，最低的结实率为0.59%，而最高的结实率达到7.71%。由同源三倍体水稻所结实的种子形成的下一个世代，其群体内主要农艺性状仍然整齐一致，没有发生性状分离现象。染色体核型分析结果表明，由同源三倍体水稻所产生的后代个体仍然是携带36条染色体的同源三倍体。对于同源三倍体水稻中所出现的这种奇特的生殖发育现象，很难用现有的细胞学理论和胚胎学理论予以合理的解释。

关于在异倍性水稻间的杂交后代中早世代性状稳定遗传的现象，前人已经进行过一些研究，但研究者们至今仍然不能对其特殊的生物学现象给予令人信服的合理解释。这种特殊的生物学现象于1991年被四川农业大学水稻研究所的研究者在同源三倍体水稻SAR－3与二倍体水稻品系W255的杂交中发现，在其F₂代群体中某些株系内各单株之间在主要农艺性状上没有表现出性状分离现象。随后，在SARⅢ－2与抗392、SAR－3与生47、DB102与太平369、DB102与中作59等杂交组合中先后都发现了早世代双亲性状综合后性状稳定遗传的现象。在研究中发现，不但在以同源三倍体水稻为杂交母本的异倍性杂交组合中存在着这种特异现象，而且，在以同源四倍体水稻为杂交母本与二倍体水稻杂交的异倍性杂交组合(59×南京11)中也发现了这种超常规现象。

关于同源多倍体水稻的胚自发现象前人的研究结果也值得注意。对在夏季条件下进行去雄的同源四倍体水稻APⅣ₍₄₎颖花所进行的观察结果表明，在去雄后1天的50个子房中有3个子房(6.0%)包含二卵，有2个子房包含三卵(4.0%)。在去雄后2天的50个子房中有2个子房(4.0%)包含二卵。在去雄后3天的50个子房中，在2个子房中发现了由4个或8个细胞组成的单胚。在去雄后4天的50个子房中有4个子房包含单胚，有2个子房包含双胚。在去雄后5天的5个子房中发现包含单胚，3个子房中包含双胚。由此可见，在去雄条件下APⅣ₍₄₎具有一定的自发成胚的能力。

关于同源多倍体水稻单株的高结实现象在研究中也曾经被发现过。我们于1994年利用人工诱导法将二倍体水稻IR₃₆₍₂₎和IR₂₈₍₂₎诱导为同源四倍体水稻IR₃₆₍₄₎和IR₂₈₍₄₎，经过多年的观察后已经确定，其结实率一般都不会超过10%。2001年，我们根据离子束生物技术的原理，利用能量为25 keV的氮离子束为诱变源，对同源四倍体水稻IR₃₆₍₄₎和IR₂₈₍₄₎进行离子束注入处理后发现，在其当代群体内出现了一些结实率高于75%的突变单株。2002年，我们在重复实验中又获得了类似的实验结果。我们认为，利用离子束生物技术对同源四倍体水稻进行改良，很容易在其当代筛选到结实率高的突变单株，这是一种普遍的特殊的生殖现象。现已在诱变后代中筛选到36个结实率比较高的单株或株系，其中有一个单株的结实率高达91.89%，并且，所有结实率比较高的单株或株系所产生的籽粒，其充实度均达到正常水平，籽粒很饱满。通过对这些结实正常的单株或株系进行根尖细胞内染色体数目的鉴定后已经确定，它们仍然是同源四倍体水稻(2n=4x=48)。在进一步的研究中所获得的研究结果表明，在同源四倍体水稻IR₃₆₍₄₎的变异群体内所发现的22株高结实率单株，其第二代群体内出现明显的分离现象。在各株系内，包括高结实率单株、中等结实率单株和低结实率单株，结实率性状的表现呈现出数量性状的特征，即结实率性状在第二代群体中呈连续性分布，平均结实率为61.62%，最高结实率为86.64%，最低结实率为47.89%。通过观察鉴定后，我们已经筛选到40个比较好的单株，其结实率在80%以上，综合农艺性状比较优良。在同源四倍体水稻IR₂₈₍₄₎的变异群体内所发现的14株高结实率单株，其第二代群体内出现的分离现象也是如此，平均结实率为59.71%，最高结实率和最低结实率分别为87.86%和51.49%。为什么同源四倍体水稻经过低能离子束注入后其结实率会明显提高?其科学意义和实用价值是否值得进一步研究?我们认为，对于这种奇特的生殖现象，首先值得从细胞学水平进行深入研究。需要确定在减数分裂过程中同源染色体的配对是否正常，是否出现单价体和多价体等导致配子生活力降低的不正常现象;确定在生殖发育过程中其雌配子体或雄配子体是否具有正常形态结构和生理功能，雌配子或雄配子是否具有正常的生活力，以便阐明同源四倍体水稻表现高结实率特性的细胞学机制。一旦在这方面取得实质性突破，将为同源四倍体水稻的改良和利用其强大的杂种优势效应寻找到新的研究方向。(www.chuimin.cn)

4　在挖掘多倍体水稻潜在价值的研究中的技术思路和值得探索的五条途径

从植物物种的系统进化来看，染色体组的多倍化和异源基因组的有效结合是物种进化的主要动力，由此会提高其生长势、增强其适应性和加大其增产潜力。目前生产上利用的水稻是二倍体(2n=2x=24)，在现有栽培作物中其基因组最小，系统进化程度很有限。从物种进化的倍性水平和染色体大小的适应性理论来看，适当增大水稻基因组，提高其染色体组的倍性水平，可以扩大其基因容量和丰富其遗传变异范围，增加优良基因重组的概率，提高其适应性和产量潜力。

从植物物种的进化与其染色体组的关系来看，染色体组的多倍化是新物种形成的主要途径之一，而人工诱变方法的不断成熟促进了新物种形成的速度。鲍文奎等研究者一直坚信，在多倍体水平上探索稻属植物的潜在价值将会使其研究水平上升到新的高度。我们将二倍体水稻诱导为多倍体水稻并对其进行筛选的研究工作实际上是在探索稻属内新物种形成的特点和方式，其研究难度相当大，但其科学价值和对稻属科学的促进作用还无法估量。

在多倍体水稻研究中，如何正确地认识一些超常规的生物学现象将有助于从中探索出一些有价值的生物学规律。当二倍体水稻被诱导为多倍体水稻之后，后者已成为新的物种，其特征特性会发生明显的变化，因而，我们是否还能以研究二倍体水稻的观念来看待多倍体水稻所出现的问题则值得深入探讨。过去人们都普遍认为，同源四倍体水稻的结实率很低(5%～10%)，充实度很差，这是很难改变的事实。然而，我们在利用离子束生物技术对同源四倍体水稻进行遗传改良时发现，很容易在其当代筛选到结实率高的突变单株，其大部分籽粒的充实度都可以达到正常水平，这似乎也是一种值得注意的特殊的生殖现象。由于目前我们所掌握的同源多倍体水稻材料很有限，在该研究领域所积累的资料都比较零散，其研究深度和研究广度尚待进一步加强，其潜在的利用价值还很难肯定。

在同源多倍体水稻的研究中迫切需要形成新的技术思路，以便寻找到新的研究途径。我们认为，利用离子束生物技术对同源多倍体水稻进行遗传改良，有可能为进一步利用水稻强大的杂种优势效应和深入研究水稻无融合生殖现象寻找到新的突破口。根据目前的研究现状，对同源多倍体水稻进行遗传改良的技术思路是，瞄准2个总体目标(挖掘水稻的产量潜力和简化水稻杂种优势利用的程序);采用3种有效技术(离子束生物技术、组织培养技术和染色体组多倍化诱导技术);确定4个研究方向(直接利用同源四倍体水稻的增产潜力、利用同源四倍体水稻的强大杂种优势效应、固定其杂种优势效应和深入研究同源四倍体水稻的生殖发育特性);达到5个预期目标(探索在多倍性水平物种形成的途径、研究多倍体生物的生物学特征特性、寻找多倍体生物所表现的遗传变异规律、挖掘同源三倍体和同源四倍体的潜在利用价值、建立同源多倍体水稻的新的育种技术体系)。

为了挖掘同源多倍体水稻的潜在利用价值，在今后的研究中有如下5条途径值得探索。其一是探索直接利用同源四倍体水稻的可能性。染色体组的多倍化使得同源四倍体水稻的特征特性发生明显的变化，其优点是大粒型、营养生长优势、生物学产量高、优良的米质和比较强的抗逆性，而其缺点主要是不良的籽粒充实度和低结实率。从现在的研究现状来看，要解决同源四倍体水稻籽粒充实度的问题并不难，而试图在获得高结实率单株之后再获得稳定遗传的高结实群体则需要进一步探索。我们认为，在挖掘同源四倍体水稻的直接利用价值的研究过程中，可以利用离子束生物技术来解决其结实率低的问题。其二是探索在同源四倍体水平利用同源四倍体水稻杂种优势的可能性。1999年我们在利用同源四倍性原始籼稻和原始粳稻进行杂交的试验中发现，某些杂交组合的杂种第一代的结实率可以达到75%以上，最高可以达到91.45%，并且，生物学产量上的杂种优势效应很明显。随后，在国家“ 863”项目(SZ－01－01－02)的资助下进一步证实了同源四倍性原始籼稻和原始粳稻之间的杂交，其杂种第一代结实正常的客观性和实用性。然而，由于同源四倍性原始籼稻或原始粳稻本身的结实率很低，两者之间的杂交不容易成功，很难生产出大量的杂交第一代种子满足生产上的需要。此外，我们还发现，当二倍性的光温敏核雄性不育水稻被诱导为同源四倍性光温敏核雄性不育水稻之后，后者在雄性不育期的育性似乎更稳定，不容易发生雄性不育性波动。因此，在由同源四倍性原始籼稻和原始粳稻所配制的杂种第一代中存在着强大的杂种优势效应有待于我们进一步挖掘和利用，而通过利用现代生物技术对同源四倍体水稻本身的结实率性状进行遗传改良，进而筛选出结实正常的同源四倍体水稻亲本则有助于在四倍体水平利用水稻强大的杂种优势效应。对同源四倍体水平的籼粳F₁杂种进行研究的结果表明，其结实率显著地高于二倍体籼粳杂种的结实率，籽粒充实度也是如此。同源四倍体光温敏核不育水稻具有明显的育性转换特性;无论在夏季的自然条件下还是在人工控制的低温条件下，同源四倍体光温敏核不育水稻比相应的二倍体光温敏核不育水稻表现出更稳定的雄性不育性。其三是探索在同源多倍体水平固定水稻杂种优势的可能性。我们近年来的研究结果表明，在同源四倍体水平利用原始亚种间强大的杂种优势效应来进一步提高水稻的增产潜力则是值得探索的新的研究方向。然而，由于同源四倍体水稻本身的结实率问题一直难以解决，其强大的杂种优势还难以按照现有的育种程序和生产程序得到充分的利用。当二倍体水稻被诱导为同源四倍体水稻之后，其生殖特性会发生明显的变化;同源四倍体水稻通常表现出比较弱的有性生殖能力，这主要是由于在减数分裂过程中同源染色体配对异常，出现单价体和多价体等导致配子生活力降低的不正常现象，进而使大部分雌配子体或雄配子体失去正常功能，雌配子或雄配子的生活力明显变弱。其四是探索以同源多倍体水稻为桥梁完成异源遗传物质转移和丰富水稻基因库的可能性。在水稻的远缘杂交中同源四倍体水稻是一种很好的亲本和桥梁，以其为中介可望将远缘物种中的有益基因引入到二倍体水稻中，进而创造出具有实用价值的水稻新种质。以同源四倍体水稻为杂交母本，以狼尾草或假稻为花粉供体的属间远缘杂交中，我们在杂交当代就获得了实粒种子并对其胚胎学进行了研究。五是探索在同源多倍体水平水稻特征特性的遗传规律。根据现有的研究资料，近期对同源多倍体水稻的研究主要以同源四倍体和同源三倍体为研究材料。在研究同源四倍体水稻时主要瞄准结实性状、生物学产量潜力、籽粒产量潜力、雄性不育、异交结实率、光合特性和品质特性等性状展开研究，以便寻找其遗传规律，进而直接利用同源四倍体水稻的产量潜力和建立同源四倍体水平水稻杂种优势利用的技术程序。在研究同源三倍体水稻时主要瞄准自交结实性状的稳定性、异交结实的可交配性、雌雄配子或雌性配子体的发育特性等性状展开研究，以便寻找其生殖发育特性在亲子代之间的遗传规律，进而不断完善水稻早世代稳定育种的技术程序和探索在多倍体水平寻找水稻无融合生殖基因或种质资源的可能性。

参考文献

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［10］黄群策，梁芳．同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的胚胎学观察［J］．杂交水稻，2003，18(5):53－55．

【注释】

(1)该文曾在《杂交水稻》 ［2006，21(2):1～4］刊出