水稻染色体组多倍化研究取得成果

水稻多倍化的诱导技术研究⁽¹⁾

黄群策　代西梅　李玉峰

摘要　利用8份常规水稻品种、4份光温敏核不育水稻以及由这些亲本材料所配制的32份杂种F₁群体和32份杂种F₂群体为诱导材料，采用种芽诱导加倍法对其进行多倍化诱导。研究结果表明，利用常规水稻品种和光温敏核不育水稻品系为诱导材料，其多倍化的诱导频率均很低;利用杂种F₁群体为试验材料经过多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果则比较好;利用杂种F₂群体为试验材料经过多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果则更好。同源四倍体水稻在结实率性状上的表现与其二倍体原始材料的类型存在着一定的相关性，在水稻多倍化过程中以等位基因处于分离和重组状态的杂种F₂群体为诱变材料则更有利于获得结实率比较高的同源四倍体水稻。

关键词　二倍体水稻;多倍化;材料类型;结实率

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^［1～4］。我国杂交水稻育种在继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难度更加明显。在现有基础上，水稻产量潜力的进一步挖掘有赖于探索出水稻遗传育种的新的技术路线。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知道得太少，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^［5，6］。为了对多倍体水稻的特征特性有更清楚的了解，首先需要获得大量的多倍体材料。关于多倍体水稻的诱导技术前人已经进行过一些研究^［7，8］，而关于水稻多倍化的诱导效果与其原始材料的关系的研究目前尚未见到公开的文献报道。我们利用不同类型的二倍体水稻为研究材料，通过种芽诱导加倍的方法对其进行多倍化诱导，研究和探讨了二倍体水稻的材料类型与多倍化的效果及其结实特性等问题。

1　材料和方法

试验中选用8份常规水稻品种(圭630、IR36、IR28、G893、小黑糯、越光、秋光和紫血稻)、4份光温敏核不育水稻(培矮64s、徐选s、7001s和99s)以及由这些亲本材料所配制的32份杂种F₁群体和32份杂种F₂群体为诱导材料，采用种芽诱导加倍法对其进行多倍化诱导。杂种F₁群体来源于以4份光温敏核不育水稻为杂交母本，以8份常规水稻品种为杂交父本经过有性杂交后所获得。随后，通过杂种F₁群体的自交获得杂种F₂群体。每份常规水稻品种、光温敏核不育水稻材料和杂种F₂材料取500粒种子进行诱导处理，而每份杂种F₁材料取200粒种子进行诱导处理。

对所有试验材料的染色体组加倍均采用种芽诱导加倍法^［7］，即首先对实验材料进行预处理，使胚芽鞘伸长至2.0cm左右时再利用浓度为0.04%的秋水仙素水溶液在35℃条件下处理72h。随后，用清水冲洗和浸泡试验材料以便清除秋水仙素残留物。接着，将实验材料栽入沙盆中在26℃条件下让其恢复生活力。当实验材料生长至4叶1心时再将其移入大田中任其在自然条件下生长发育。

根据实验材料的外部形态(如植株形态、生育期、种子大小、种子顶部芒的有无、结实率高低和茎秆的粗壮程度)对其进行初步筛选，按单株分收编号后分别种植。由于利用种芽诱导加倍法所获得的当代实验材料中存在着染色体组变化的嵌合体现象，因而要对试验材料进行2～3个世代的筛选。经过严格的鉴定和筛选之后，对具有同源四倍体水稻形态特征的单株或群体进行细胞内染色体数目的鉴定。在鉴定染色体数目时所采用的鉴定方法是，取植株不定根的根尖为材料，用饱和对二氯苯水溶液对其进行3h预处理，清洗后置于卡诺氏固定液中浸泡5h，采用Feulgen染色，再用醋酸洋红压片后进行染色体计数。对于同源四倍体植株，在始穗期用羊皮纸袋对其稻穗进行套袋隔离，以便获得自交种子。对每份材料中所获得的同源四倍体水稻植株的数量进行统计分析，计算多倍化的诱导效果。

在田间条件下对同源四倍体水稻的特征特性进行比较鉴定。在田间每份同源四倍体水稻与相应的二倍体水稻依次按顺序排列，每份同源四倍体水稻种植20～30株，而每份相应的二倍体水稻种植20株作为对照。实验材料的种植规格为(30×20)cm，采用常规的田间管理措施。根据田间实验和室内鉴定结果，对实验材料的结实特性进行了分析和考查。

2　试验结果及分析

2.1　水稻多倍化的诱导效果与其二倍体原始材料的关系

利用秋水仙素水溶液对四大类型76份水稻材料进行染色体组倍性诱导的结果表明，在每份材料中都已经筛选到同源四倍体水稻单株或株系，但水稻多倍化的诱导效果则因材料类型不同而存在着很大的差异。对8份常规水稻品种(圭630、IR36、IR28、G893、小黑糯、越光、秋光和紫血稻)和4份光温敏核不育水稻(培矮64s、徐选s、7001s和99s)进行多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果比较差，从这两类材料中获得同源四倍体植株的平均诱导频率分别是0.425%和0.650%。在8份常规水稻品种中的诱导效果存在着差异，在圭630、IR36和IR28的诱导群体中所筛选到的同源四倍体水稻数数分别是2株、6株和4株，其诱导频率分别是0.40%、1.20%和0.80%;在G893、小黑糯、越光、秋光和紫血稻的诱导群体中分别所筛选到的同源四倍体株数均是1株，其诱导频率均是0.20%。在4份光温敏核不育水稻(培矮64s、徐选s、7001s和99s)的诱导群体中所筛选到的同源四倍体水稻数分别是2株、6株、1株和4株，其诱导频率分别是0.40%、1.20%、0.20%和0.80%。由此可见，利用常规水稻品种和光温敏核不育水稻品系为诱导材料，其多倍化的诱导频率均很低。

利用杂种F₁群体为试验材料经过多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果则比较好。在以4份光温敏核不育水稻为杂交母本，以8份常规水稻品种为杂交父本所配制的32个杂交组合中获得了230株同源四倍体水稻单株，同源四倍体的平均诱导率为3.59%。在以培矮64s为杂交母本的8个杂交组合中，获得的同源四倍体数目为64株(4.00%)，在8个杂交组合中同源四倍体诱导率的变幅为2.50%～5.50%;在以徐选s、7001s和99s为杂交母本的杂交组合中所获得的同源四倍体数目分别为51株(3.19%)、57株(3.56%)和58株(3.63%)，其杂交组合中同源四倍体诱导率的变幅分别为2.00%～4.50%、2.50%～4.50%和3.00%～4.50%。

利用杂种F₂群体为试验材料经过多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果则更好。在32个杂交组合中共获得1 395株同源四倍体水稻单株，同源四倍体的平均诱导率为8.72%。在以培矮64s为杂交母本的8个杂交组合中，获得的同源四倍体数目为403株(10.08%)，在8个杂交组合中同源四倍体诱导率的变幅为8.20%～12.0%;在以徐选s、7001s和99s为杂交母本的杂交组合中所获得的同源四倍体数目分别为299株(7.48%)、331株(8.28%)和362株(9.05%)，其杂交组合中同源四倍体诱导率的变幅分别为6.20%～8.40%、7.20%～10.2%和7.4%～11.6%。

2.2　同源四倍体水稻的结实率与其二倍体原始材料类型的关系

根据田间观察结果和室内鉴定结果，对实验材料的结实特性进行了分析和考查。研究结果表明，同源四倍体水稻的结实率与其二倍体原始材料结实率存在着一定的相关性关系。在试验中，由8份常规水稻品种(圭630、IR36、IR28、G893、小黑糯、越光、秋光和紫血稻)所诱导的同源四倍体水稻株系的平均结实率分别为1.60%、5.08%、1.96%、1.88%、3.21%、4.01%、2.11%、2.89%，其结实率的变幅为1.60%～5.08%，8份材料的平均结实率为2.84%，其中圭630₍₄₎的结实率最低(1.60%)，而IR36₍₄₎的结实率最高(5.08%)。由4份光温敏核不育水稻(培矮64s、徐选s、7001s和99s)所诱导的同源四倍体水稻株系的平均结实率分别为1.91%、2.02%、2.58%和4.56%，其结实率的变幅为1.91%～4.56%，4份材料的平均结实率为2.77%，其中培矮64s₍4)的结实率最低(1.91%)，而99s₍₄₎的结实率最高(4.56%)。对于由亲本材料所配制的32份杂种F₁群体所诱导的32份同源四倍体水稻株系总体平均结实率为8.68%，其结实率的变幅为6.32%～9.63%，其中(培矮64s×圭630)F₁₍₄₎的结实率最低(6.32%)，而(徐选s×越光)F₁₍₄₎的结实率最高(9．63%)。对32份杂种F₂群体的研究结果特别值得注意，其总体平均结实率为36.89%，其结实率的变幅为31.66%～42.98%，其中(培矮64s×小黑糯)F₂₍₄₎的结实率最低(31．66%)，而(培矮64s×秋光)F₂₍₄₎的结实率最高(42.98%)。由此可见，同源四倍体水稻的结实率在很大程度上与二倍体原始材料的类型密切相关，以常规水稻品种、光温敏核不育水稻和杂种F₁群体为材料所诱导的同源四倍体水稻，其结实率均比较低，而以杂种F₂群体为材料所诱导的同源四倍体水稻，其结实率均比较高。(www.chuimin.cn)

3　讨论

目前，我国水稻育种面临着两大难题有待攻关，即怎样通过有效的方法和途径在现有的产量水平上进一步实质性地提高单位面积产量(更有效地挖掘水稻杂种优势效应)和简化水稻杂种优势利用的程序(固定水稻杂种优势效应)^［1－3］。在两系法杂交水稻育种已经取得重大突破，且两系法杂交水稻在生产上已经显现出产量效应的前提下，试图进一步挖掘水稻增产潜力的难度相当大。在多倍性水平上研究水稻的增产潜力是值得深入探索的新领域并引起了一些研究者的关注^［9］。为了更好地研究多倍体水稻的生物学特征特性和探索其潜在价值，迫切需要获得大量的多倍体材料。关于水稻多倍化的诱导技术，前人已经进行过一些探索性研究^［7，8］。然而，关于水稻多倍化的诱导效果与其二倍体原始材料的关系和同源四倍体水稻的结实率与其二倍体原始材料结实率的关系等问题尚未引起研究者们的注意。

在试验中同源四倍体的诱导效果与其二倍体原始材料的相关性值得探讨。我们的研究结果表明，利用常规水稻品种和光温敏核不育水稻品系为诱导材料，其多倍化的诱导频率均很低;利用杂种F₁群体为试验材料经过多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果则比较好;利用杂种F₂群体为试验材料经过多倍化诱导和筛选后所获得的诱导效果则更好。我们在试验中发现，在将二倍体水稻诱导为同源四倍体水稻的试验中其诱导效果与多种因素有关，其中包括实验材料的遗传型、秋水仙素溶液的浓度、诱导时间、诱导后材料的培育和对材料的鉴定筛选方式等。在影响诱导效果的诸多因素中，实验材料的遗传型特别值得注意。在试验中秋水仙素水溶液的浓度(0．04%)、温度条件(35℃)和处理时间(72h)均为固定因素，而每份材料的遗传型在很大程度上决定了其诱导效果。从遗传背景来看，每份常规水稻品种和光温敏核不育水稻品系为单一的纯合基因型，杂种F₁群体为单一的杂合基因型，杂种F₂群体为等位基因处于分离和重组状态的杂合基因型。我们推测，常规水稻品种和光温敏核不育水稻品系的遗传保守性很强，将其诱导为同源四倍体不容易;杂种F₂群体的遗传可塑性很强，将其诱导为同源四倍体则比较容易;杂种F₁群体介于两者之间。因此，不同类型的材料对同一诱导条件的反应会表现出很大的差异，由此导致诱导效果因材料类型而异。

同源四倍体水稻在结实率性状上的表现与其二倍体原始材料类型的相关性也值得探讨。通过对多倍化后代的结实特性进行研究和分析后所获得的试验结果表明，同源四倍体水稻的结实率在很大程度上与其二倍体原始材料的结实率密切相关，以常规水稻品种和光温敏核不育水稻为材料所诱导的同源四倍体水稻，其结实率均很低(其结实率的变幅为1.60%～5.08%);以杂种F₁群体为材料所诱导的同源四倍体水稻，其结实率也不是很高(其结实率的变幅为6.32%～9.63%);而以杂种F₂群体为材料所诱导的同源四倍体水稻，其结实率均比较高(其结实率的变幅为31.66%～42.98%)。因此，在水稻多倍化过程中以等位基因处于分离和重组状态的杂合基因型的杂种F₂群体为诱变材料则有利于获得结实率比较高的同源四倍体水稻。

参考文献

［1］袁隆平．杂交水稻的育种战略设想［J］．杂交水稻，1987，2(1):1－3．

［2］袁隆平．杂交水稻超高产育种［J］．杂交水稻，2001，16(1):1－3．

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［5］黄群策，孙梅元，邓启云．多倍体水稻及其潜在价值［J］．杂交水稻，2001，16(1):1－3．

［6］黄群策，孙敬三．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．

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［8］刘新民，刘幼琪，陈冬玲，等．水稻籼粳杂种四倍体的人工诱导［J］．湖北大学学报(自然科学版)，2001，23(2):178－181．

［9］蔡得田，袁隆平，卢兴桂．二十一世纪水稻育种新战略Ⅱ利用远缘杂交和多倍体双重优势进行超级稻育种［J］．作物学报，2001，27(1):110－116．

【注释】

(1)该文曾在《杂交水稻》 ［2006，20(5):54～56］刊出