水稻染色体组多倍化研究：技术策略探讨

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：一系法杂交水稻研究的技术策略探讨黄群策摘要通过一系法利用和固定水稻的远缘杂种优势是一项具有极大诱惑力但难度颇大的科研难题。由于多倍体水稻的有性生殖能力明显变弱，在多倍性水平筛选和创造水稻无融合生殖种质有可能成为一系法杂交稻研究的突破口。目前，我国水稻无融合生殖的研究仍然停留在探索性阶段，其首要任务就是要通过采用新的技术路线和策略尽快筛选出具有育种价值的无融合生殖种质。

一系法杂交水稻研究的技术策略探讨⁽¹⁾

黄群策

摘要　通过一系法利用和固定水稻的远缘杂种优势是一项具有极大诱惑力但难度颇大的科研难题。我国水稻无融合生殖研究尚处在探索性阶段，还没有筛选到具有实用价值的无融合生殖种质。由于多倍体水稻的有性生殖能力明显变弱，在多倍性水平筛选和创造水稻无融合生殖种质有可能成为一系法杂交稻研究的突破口。

关键词　杂交水稻;一系法;无融合生殖种质;多倍体水稻中

自20世纪90年代初以来，各国已将选育具有无融合生殖特性的农作物品种，进而固定其杂种优势作为又一次绿色革命的突破口而给予了高度重视，正加紧在主要农作物中开展无融合生殖研究，以至于对无融合生殖的研究已经成为生物学科的新生长点。我国从20世纪70年代末开始水稻无融合生殖研究，试图在二倍体水稻中寻找、诱导和转移无融合生殖基因，然而，由于无融合生殖机制的复杂性和许多关键环节尚不很清楚，迄今还没有筛选到具有实用价值的水稻无融合生殖种质。根据杂交水稻育种的发展趋势^［1，2］，通过一系法利用和固定水稻的远缘杂种优势的探索性研究已经引起了一些研究者的兴趣。固定水稻的杂种优势有多条途径，其中以培育无融合生殖水稻具有较大的吸引力。目前，我国水稻无融合生殖的研究仍然停留在探索性阶段，其首要任务就是要通过采用新的技术路线和策略尽快筛选出具有育种价值的无融合生殖种质。

1　被子植物中无融合生殖种质的特点

根据最新的统计结果^［3］，人类在被子植物42科129属中已经发现了434个物种具有二倍体无融合生殖特性，其中包括无孢子生殖、二倍体孢子生殖和不定胚生殖种质。在被子植物的无融合生殖种质中，禾本科(151个物种)、菊科(63个物种)、锦葵科(52个物种)、蔷薇科(21个物种)和芸香科(9个物种)占70.51%。

在被子植物中表现出二倍体无融合生殖特性的434个物种有如下6个特点值得注意:①在双子叶植物中存在的无融合生殖科要明显多于单子叶植物中存在的无融合生殖科，在42科无融合生殖植物中大多数科是双子叶植物。②不定胚生殖特性与二倍体有一定的相关性。具有不定胚生殖特性的植物大部分是二倍体，这种相关性在柑橘属(Citrus)、假葱属(Nothoscordum)、野扇花属(Sarcococca)和大戟属(Euphorbia)植物中很明显。③配子体无融合生殖与多倍性的相关性比较明显。在禾本科的151个无融合生殖物种中有149个物种是同源多倍体或异源多倍体，只有2个物种即澳大利亚茅香(hierochloeaustralis)和茅香(Hierochloeodorata)是二倍体。④无融合生殖物种的遗传组成都比较复杂。根据系统学的研究结果，无融合生殖物种都来自原始物种相互杂交后所产生的杂合型后代群体，经过自然选择后保留了具有很强适应能力并通过无融合生殖方式进行繁殖的杂合体，而纯合体的适应能力都比较差，在进化过程中不断地被淘汰直至消失。⑤在重要的经济植物中无融合生殖种质非常缺乏。除了在苹果和柑橘植物中存在无融合生殖种质之外，在重要的经济植物，特别是主要农作物中尚未鉴定出具有实用价值的无融合生殖种质。在禾本科的无融合生殖种质中大部分是杂草植物，没有很大的实用价值，不能直接应用于作物生产来提高农作物的增产潜力和简化利用杂种优势的程序。⑥在大多数具有不定胚生殖特性的物种中存在着多胚现象。在漆树科的芒果(mangiferaindica)和香味芒果(Mangiferaodorata)植株中，其核果内往往包含有2～14个胚，其中大部分是不定胚。在天南星科的万年青属(Aglaonema)中，A.spseudobractertum，A.roebelinii和A.commutatum这3个物种的多胚数目都达到28个。在大戟科的大戟属(Euphorbia)中，E.dulcis物种具有19个胚。在百合科的紫萼玉簪(hostaventrivosa)植株中，多胚数目最少有3个，最多达到8个。在桑科的长果桑(moruslaevigata)和印度桑(morusindica)植株中多胚数目都达到3个。在芸香科植物中多胚现象和不定胚生殖现象更常见，在citrutrifoliata物种的一些变种植株中，多胚数目最多达到52个。

与有性生殖相比，无融合生殖具有以下4个特点:其一是在遗传组成上基因型的杂合性和多倍性。无融合生殖物种都具有比较复杂的遗传基础，其基因位点往往呈杂合状态，这是因为在无融合生殖物种的进化过程中包含有大量的自然杂交，由此使基因型发生分离和重组，纯合体不断地被淘汰，而杂合体得到保留。在无融合生殖物种的系统发育过程中，细胞内染色体组多倍化是其进化的重要特征，在表现出配子体无融合生殖的物种中大多数是同源多倍体或异源多倍体。其二是表现型的可变性。具有专性无融合生殖特性的植物，其后代群体的表现型一致，而具有兼性无融合生殖特性的植物，其表现型或倾向于母本，或性状发生分离和重组。这主要是由于在兼性无融合生殖植物中，某些花进行有性生殖而另外一些花则进行无融合生殖，结果使后代群体中存在着无融合生殖后代和有性生殖后代。其三是杂交的单向性或选择性。具有专性无融合生殖特性的植物不能接受外来花粉粒受精，在其植株上所产生的后代都来源于无融合生殖，专性无融合生殖植物只能用作杂交父本传递其遗传物质。在具有兼性无融合生殖特性的植物中，花序中的某些花能进行无融合生殖而不能接受外来花粉粒，另外一些花可以通过有性杂交产生种子。其四是在育种上杂交后代的分离表现出不规则性。由于无融合生殖植物都具有比较复杂的遗传基础，无融合生殖性状在杂交后代群体中的表达频率很难遵循孟德尔遗传定律，目前还没有找出其规律性，特别是在不同的无融合生殖物种中无融合生殖的种类和遗传基础大不相同，这使得问题更为复杂。根据无融合生殖的这些特性，在农作物中试图创造无融合生殖种质，进而利用无融合生殖特性来固定农作物的杂种优势并非轻而易举的事，其难度相当大。

2　我国水稻无融合生殖研究的现状

我国水稻无融合生殖研究始于20世纪70年代末。根据杂交水稻的育种现状和发展趋势，袁隆平(1987)系统地提出了在育种方法上由“三系法”到“两系法”，进而实现“一系法”，在杂种优势利用水平上从利用品种间杂种优势到利用亚种间杂种优势，进而利用远缘物种间杂种优势的杂交水稻育种构想。

我国水稻无融合生殖研究的重要内容之一就是筛选和鉴定水稻多胚苗材料。其技术思路是，在正常水稻中每1粒种子只能萌发出1株苗，它来源于种子内的1个有性胚，在1粒种子内通常只包含1个有性胚;在多胚苗水稻的1粒种子内包含有多个胚，由1粒多胚苗种子可以同时萌发出多株苗;由此推测，在多胚苗水稻的1粒种子内除了包含有1个有性胚之外，还存在着1个或多个无性胚，这种无性胚很可能就是不定胚;通过研究多胚苗水稻中不定胚的胚胎学和遗传学机制，可以建立起水稻无融合生殖品系的选育程序，由此固定水稻的杂种优势。在“七五”期间，我国水稻无融合生殖研究的热点就是筛选和鉴定水稻多胚苗材料，进而确定其胚胎学特性及育种价值。然而，通过对多胚苗水稻的胚胎发育进行深入研究后发现，部分多胚苗水稻具有单倍体无融合生殖特性，其多胚来源于卵细胞的受精作用和助细胞无配子生殖。要利用现有的多胚苗水稻来固定水稻的杂种优势难度相当大，甚至是不可能的。尽管有人报道在水稻中已经发现了具有不定胚生殖特性的材料，甚至已经成功地培育出无融合生殖水稻，但这类消息似乎还缺乏使人信服的胚胎学证据。

我国水稻无融合生殖研究中的另一项重要内容就是利用现代生物技术，将具有无融合生殖特性的远缘物种的遗传物质导入水稻中，进而筛选水稻无融合生殖种质的探索性试验。通过穗茎注射法将大黍(panicammaximum)总DNA导入籼型水稻之后获得了一些变异个体^［4］。利用粳稻广亲和品系02428与无融合生殖大黍品系OK85进行不对称体细胞杂交后成功地获得了再生植株，再生植株在花器形态、结构和生殖特性上发生了明显的变异，出现了多花药、多胚珠和多胚囊结构等特异的生殖现象^［5］。然而，通过分子育种技术和原生质体融合技术仍然没创造出具育种价值的水稻无融合生殖种质。

我国水稻无融合生殖研究主要在二倍体水平寻找、鉴定和创造水稻新种质，现已筛选出100多份多胚苗材料，还先后发现了单性生殖材料、子房自发膨大材料、胎萌发材料和胚致死材料以及多花药、多胚珠、多胚囊结构的特异性材料。尽管这些材料在水稻生殖生物学的研究中具有一定的价值，但要利用这些材料来固定水稻的杂种优势则技术难度相当大，甚至是不可能的。因此，我国水稻无融合生殖育种仍然停留在探索性阶段，其首要任务仍然是通过采用新的技术路线和策略尽快筛选出具有实用价值的无融合生殖种质。如果继续在二倍体水平筛选和创造水稻无融合生殖种质则技术难度比较大，成功的可能性比较小。

3　一系法杂交水稻研究的突破口(www.chuimin.cn)

已经证实，植物的多倍性是高等植物细胞内染色体进化的一个显著特征，由此会导致一系列多倍性效应^［6］。当植物由二倍体被诱导为同源多倍体之后，在生殖特性上的最显著变化就是其结实率明显下降或不能结实，这是其有性生殖能力变弱的重要标志，这有可能为某些潜在的无融合生殖基因的表达创造有利的内部环境，因为当植物的有性生殖能力很强时，其无融合生殖基因的表达可能会受到严格的限制，而当其有性生殖能力变弱时其无融合生殖基因的表达可能会更容易。对鸭茅状摩擦禾(tripsacumdactyloides)的研究结果表明，其二倍体物种通过有性生殖繁殖后代，伴随着有规律的减数分裂，而其四倍体物种则能够进行二倍体孢子生殖和假配生殖，表现出兼性无融合生殖特性。大黍(panicammaximum)中不存在着无融合生殖二倍体，其四倍性水平的物种表现为兼性无融合生殖，在比四倍性更高的倍性水平上只有无融合生殖体。由此可见，植物体倍性水平的改变伴随着生殖方式的改变，即植物在二倍性水平进行有性生殖的能力比较强，而在多倍性水平其有性生殖能力明显变弱，进而有可能表现出无融合生殖特性。

近年来对同源四倍体水稻的胚胎学研究结果^［7，8］表明，与相应的二倍体水稻相比，同源四倍体水稻的有性生殖能力明显降低。在受精前，同源四倍体水稻的胚囊构型比较特殊，畸形结构的胚囊数目比较多，在大部分胚囊中卵细胞、助细胞、中央细胞和反足细胞的位置不规则，中央细胞内的极核有可能会自发分裂为3～4个，反足细胞通过连续分裂后有可能形成拟胚状结构。在授粉之后，同源四倍体水稻的花粉管在其花柱内的伸长速度明显变慢，双受精频率下降而单受精频率增加，在其自然群体内很容易发现胚自发和助细胞无配子生殖现象。

正常二倍体水稻的有性生殖能力比较强，这是经过长期自然选择和人工选择的结果，因而要在二倍体水稻中开展无融合生殖研究会碰到一系列技术难关，试图在二倍体水稻中寻找和创造具有实用价值的无融合生殖种质则难度比较大。同源多倍体水稻由于其染色体组的多倍性而伴随着一系列形态变异、生理生化代谢上的变异和生殖方式上的变异，在生殖方式上的变异特征就是其有性生殖能力变弱和自交结实率明显下降，这种有利的内部环境条件可能会促进某些潜在的无融合生殖基因的表达。因此，今后应该将水稻无融合生殖育种的研究重点转移到多倍性水平进行深入研究，即在多倍性水稻中通过种质寻找法、种质诱变法、杂交转育法和生物技术法筛选和创造具有实用价值的水稻无融合生殖种质。如果能在多倍体水稻中寻找和创造出具有实用价值的水稻无融合生殖种质，则水稻无融合生殖育种的技术体系和固定水稻杂种优势的应用程序将会使水稻生产发生根本性变革。

参考文献

［1］袁隆平．杂交水稻的育种战略设想［J］．杂交水稻，1987(1):1－3．

［2］袁隆平．利用无融合生殖改良作物的潜力［J］．杂交水稻，1988(4):1－3．

［3］黄群策．被子植物的无融合生殖［M］．福州:福建科技出版社，1999．

［4］赵炳然．对我国水稻无融合生殖研究的思考［J］．作物研究，1995，9(3):1－6．

［5］辛化伟，孙敬三，颜秋生．水稻与大黍不对称体细胞杂交再生植株［J］．植物学报，1997，39(10):717－724．

［6］黄群策，孙敬三．植物多倍性在作物育种中的展望［J］．科技导报，1997，17(1):53－55．

［7］黄群策，孙敬三，白素兰．同源四倍体水稻的生殖特性研究［J］．中国农业科学，1999，32(2):14－17．

［8］黄群策，孙敬三，白素兰．同源四倍体水稻雌雄配子体多态性的研究［J］．杂交水稻，1999，14(1):32－35．

【注释】

(1)该文曾在《杂交水稻》［1999，14(5):1～3］刊出