水稻染色体组多倍化研究的结果

同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的后效性研究⁽¹⁾

黄群策　代西梅　梁芳

摘要　利用4份同源四倍体水稻(Oryza sativa，2n=4x=48)和4份二倍体水稻(Oryza sativa，2n=2x=24)为杂交母本，以4份非洲栽培稻(Oryza glarri，2n=2x=24)为花粉供体进行远缘杂交配组后，对其杂种后代的分离动态进行了研究。研究结果表明，不同倍性的普通栽培稻与非洲栽培稻之间不存在严格的生殖隔离，通过有性杂交可以获得杂种第一代种子，但其结实率因普通栽培稻的倍性水平而异。在以同源四倍体水稻或以二倍体水稻为杂交母本，以非洲栽培稻为花粉供体所配制的32个杂交组合中，其杂种第一代群体均表现出明显的营养生长优势。从群体的生长势来看，杂种第二代群体比杂种第一代群体要弱一些;在杂种第二代群体中，在以同源四倍体水稻为杂交母本的杂交组合中所表现的分离现象比在以二倍体水稻为杂交母本的杂交组合中所表现的分离现象更明显。在各杂交组合的第三代群体中，从植株的株叶形态和生育期来看，株系间的差异和株系内的变异依然很明显，变异频率更宽，变异种类更多。在普通栽培稻与非洲栽培稻的杂交组合中，育性变异、生长势变异、株叶形态变异、染色体变异和结实性变异等是比较容易发现的变异现象。由此认为，利用同源四倍体水稻为杂交母本与非洲栽培稻杂交更容易将后者的遗传物质引入到亚洲栽培稻。

关键词　亚洲栽培稻;非洲栽培稻;杂交的后效性

为了在现有的产量水平上进一步挖掘水稻的增产潜力，迫切需要寻找新的技术思路和新的育种方法。在20世纪80年代末期我国学者提出的我国水稻超高产育种的技术思路和育种方法为我国水稻育种跨上新的台阶指明了方向^［1－3］。然而，我国水稻超高产育种是否能取得突破性进展在很大程度上首先决定于我们是否能通过现代生物技术创造出具有实用价值的水稻新种质。通过染色体组多倍化方法所获得的同源四倍体水稻具有比较特殊的生殖发育特性，其潜在利用价值已经引起了一些研究者的关注^［4，5］。以同源四倍体水稻为桥梁进行异源物种间遗传物质交换的研究结果为进一步挖掘同源四倍体水稻的潜在利用价值找到了新的研究方向^［6－8］。通过以同源四倍体水稻为杂交母本分别与狼尾草、假稻进行属间远缘杂交获得成功之后，我们又以非洲栽培稻为花粉供体与同源四倍体水稻进行了物种间远缘杂交并获得了成功^［9，10］。在此基础上，我们对同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的后效性进行了研究，旨在研究物种间远缘杂交后代群体中主要农艺性状的变化动态。

1　材料和方法

本实验的全部工作均在位于合肥市的中国科学院离子束生物工程重点实验室进行。在物种间远缘杂交试验中所采用的非洲栽培稻品系包括云158、云159、云160和云161等4份材料;所采用的亚洲栽培稻包括4份同源四倍体水稻^{［即IR₃₆₍₄₎、IR₂₈₍₄₎、测90(4)和明恢₆₃₍₄₎］}和4份相应的二倍体水稻^{［即IR₃₆₍₂₎、IR₂₈₍₂₎、测90(2)和明恢₆₃₍₂₎］}。在杂交试验中所采用的同源四倍体水稻是我们按照人工诱导方法^［11］经过诱导和鉴定之后所筛选到的稳定品系。在进行同源四倍体水稻与非洲栽培稻的杂交配组中以前者为杂交母本，而以后者为花粉供体，没有配制反交组合。按此方式共配制16个杂交组合。同时，以亚洲栽培稻中的二倍体水稻为杂交母本，以非洲栽培稻为花粉供体共配制16个杂交组合。在试验中采用人工剪颖去雄后授花药的方式进行杂交配组，其杂交方法和杂交效果已有报道^［9］。

在田间试验中，32份杂种第一代材料按顺序排列，其中安排相应的杂交亲本作为对照。试验材料在田间的种植规格为20cm×30cm，采用常规的田间管理措施。为了研究物种间远缘杂交后代群体内性状的变化动态，从杂交第一代群体开始直至杂交第三代群体，我们对其特殊单株的染色体数和主要农艺性状(雄配子的发育特性、株高、生育期、单株有效穗、每穗粒数和千粒重)的表现进行了研究。根据杂种后代植株的形态特征，对某些特殊植株的细胞染色体数或细胞倍性水平进行了观察和研究，在此过程中采用常规的根尖压片法^［12］。对雄配子的发育特性进行研究所采用的方法主要是常规的I₂－KI溶液染色法，即利用I₂－KI溶液对试验材料的花药进行染色后在光学显微镜下，根据典败、园败、染败和正常花粉粒的形态标准对其雄配子的发育状态进行观察鉴定。对杂交第一代群体内的单株不进行选择，按杂交组合将各单株混合收种后组成杂交第二代群体。在杂交第二代群体内，根据性状的表现特点进行单株选择，每个杂交组合内选择10个单株留种，由此组成10个不同的株系。以杂交组合和各个株系为单位对试验材料的株高、生育期、单株有效穗、每穗粒数和千粒重以及米粒的外观状况等性状的研究主要以来自田间的观察资料为基础，通过对资料进行分析和整理之后给予综合评述。

2　结果与分析

2.1　杂交第一代群体的主要表现

在田间试验中32份杂种第一代材料均获得了成活植株。以同源四倍体水稻为杂交母本，以非洲栽培稻为花粉供体所配制的16个杂交组合均表现出明显的营养生长优势。同时，以亚洲栽培稻中的二倍体水稻为杂交母本，以非洲栽培稻为花粉供体所配制的16个杂交组合也表现出明显的营养生长优势。从各个杂交组合的群体水平来看，32份杂种第一代植株均表现出早生快发、分蘖旺盛、植株高大、茎秆粗壮和穗大颖花数多等特征。然而，从生育期来看，所有杂交组合均比相应的亲本始穗期要晚20～48 d。从结实率特性来看，各个杂交组合之间存在着很大差异，其中以二倍体水稻为杂交母本所配制的16个杂交组合的结实率比较高(36.8%～44.2%)，而以同源四倍体水稻为杂交母本所配制的16个杂交组合的结实率比较低(11.6%～16.8%)。对32份试验材料进行花粉粒镜检的结果表明，各个杂交组合之间并不存在着很大的差异，在其花药中均包含有典败、园败、染败和正常花粉粒，其中正常花粉粒都已超过50%。

在以二倍体水稻为杂交母本的16个杂交组合中，群体的外观性状表现为整齐一致，没有明显的分离现象，这说明在这些杂交组合中杂交母本的卵细胞与非洲栽培稻的精子发生了正常的受精作用，其胚胎发生和发育也比较正常。利用常规的根尖压片法对其染色体数或细胞倍性水平进行研究的结果表明，它们都是二倍体植株(2n=2x=24)。然而，在以同源四倍体水稻为杂交母本的16个杂交组合中，群体的外观性状表现出明显的分离现象，植株高矮不一致、生育期有明显的差异、苗期的生长势有强弱之分、叶片的长度和宽度明显不同、株叶形态差异很明显，这些现象说明在这些杂交组合中杂交母本的卵细胞与非洲栽培稻的精子发生的受精作用比较异常，其胚胎发生和发育也不是很正常。在数量为206株的群体内选出100株进行根尖细胞的鉴定，其结果表明，它们的倍性状况比较特殊，其中有86株为二倍体植株(2n=2x=24)，另外14株为三倍体植株(2n = 3x = 36)。这些异常现象的出现与我们在对其进行胚胎学研究中所观察到的结果相吻合^［10］。

2.2　杂交第二代群体的主要表现

从32个杂交组合来看，由杂种第一代材料中通过单株选择所获得的杂种第二代群体均表现出明显的性状分离现象，其中在以同源四倍体水稻为杂交母本的杂交组合中所表现的分离现象比在以二倍体水稻为杂交母本的杂交组合中所表现的分离现象更明显。从群体的生长势来看，杂种第二代群体比杂种第一代群体要弱一些。从主要农艺性状的变异趋势来看，在各个杂交组合中，各株系之间在植株高度、生育期长短、株叶形态、单株有效穗数、每穗实粒数和千粒重等性状方面存在着很大差异，在每一个株系内各单株之间也存在着很大差异。从结实率特性来看，各个杂交组合之间存在着很大差异，其中以二倍体水稻为杂交母本所配制的16个杂交组合的结实率比较高(61.4%～81.8%)，而以同源四倍体水稻为杂交母本所配制的16个杂交组合的结实率比较低(0～21.4%)。在以同源四倍体水稻IR₃₆₍₄₎和IR₂₈₍₄₎为杂交母本所配制两个杂交组合中分别有2个株系和4个株系内出现了雄性不育株。来自IR₃₆₍₄₎×云159杂交组合的雄性不育株表现出稳定的雄性不育性，花药畸形而呈白色，其内无花粉粒，在套袋隔离条件下不能自交结实，直到深秋季节仍然保持无花粉粒状态。来自IR₂₈₍₄₎×云158杂交组合的雄性不育株表现出不稳定的雄性不育性，花药畸形而呈浅黄色，其内包含有典败、园败、染败花粉粒，秋季来临时在其花药内出现了正常的花粉粒，在套袋隔离条件下产生了自交结实种子。

在杂种第一代材料内所鉴定的86株二倍体植株(2n=2x=24)依然表现出明显的性状分离现象，它们在形态性状上即不完全像母本，也不完全像父本，是父母本形态性状的综合和互补，其结实率的变幅为12.6%～81.8%。另外，在杂种第一代材料内所鉴定的14株三倍体植株(2n =3x =36)仍然保持三倍体植株的染色体数，但各单株内植株的株叶形态和生育期的差异很明显，许多单株表现出颖花畸形和花药畸形现象，在花药内正常花粉粒比较少而败育花粉粒比较多，其结实率的变幅为4.8%～6.2%。

2.3　杂交第三代群体的主要表现

在各杂交组合的第三代群体中，从植株的株叶形态和生育期来看，株系间的差异和株系内的变异依然很明显。总的来看，在以同源四倍体水稻为杂交母本的杂交组合中各株系所表现的分离现象比在以二倍体水稻为杂交母本的杂交组合中各株系所表现的分离现象更明显。在前者的各株系内除了三倍体植株会表现出一些畸形之外，还有一些植株分别表现出条斑叶、白化苗、卷叶、矮化苗、幼穗包茎、花药畸形、花丝变短、幼穗畸形、颖花畸形等不良性状。从结实率特性来看，在各个株系之间均存在着很大差异，在各个杂交组合之间存在着更大的差异。在以二倍体水稻为杂交母本所配制的16个杂交组合中，在各个株系之间和各个株系之内其结实率均比较高，结实率的变幅比较小(71.6%～84.9%)。在后者的各个株系之间和各个株系之内其结实率均比较低(0～43.8%)。从米粒的外观状况来看，经过筛选后在各个株系内各个单株的米粒为细长型，均呈现出透明的外观状况，在米粒鉴定中没有发现带有腹白或心白的米粒。

由三倍体植株(2n =3x =36)所衍生的各个株系在株叶形态上仍然发生明显的分离现象，但它们还是保持着三倍体植株的染色体数和倍性特征。在各单株内表现出大穗少粒，颖花大而米粒的充实度不一致，其中大部分颖花(80%以上)充实度可以达到正常水平，而少部分颖花(20%以下)的充实度不正常。根据单株标记后的鉴定结果表明，在花药内正常花粉粒比较多(61.2%～64.8%)而败育花粉粒比较少(36.6%～41.2%)，其结实率的变幅达到9.6%～18.6%，这比上一个世代有所提高。

对雄性不育株(系)的观察鉴定结果表明，通过无性繁殖所保持的无花粉粒型雄性不育株仍然表现出稳定的雄性不育性，其分蘖很旺盛，生长势很强。由具有育性转换特性的雄性不育株所衍生的各个株系不但在株叶形态上表现出明显的分离现象，而且在育性表达上的分离也很明显。(www.chuimin.cn)

3　讨论

在现代水稻育种的技术程序中涉及4个主要步骤，即利用各种现代技术创造出遗传型变异、利用各种鉴定技术选择出优良的基因型、利用各种加代技术尽快地稳定优良基因型和利用各种繁殖技术大量地扩大优良基因型群体。在创造水稻遗传型变异群体中，可以利用物理诱变源，也可以利用化学诱变物，还可以通过生物学方法对水稻进行遗传改良。利用远缘杂交方式进行稻属内遗传物质的交流，进而创造出新的种质资源将有助于进一步丰富普通栽培稻的基因库。利用同源四倍体水稻为桥梁进行种间杂交或属间杂交的探索性试验已经获得一些初步结果，而通过细胞学观察后已经获得了相应的胚胎学证据^［6－10］。关于同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的后效性尚未见到公开的文献报道。我们的研究结果表明，不同倍性的普通栽培稻与非洲栽培稻之间不存在严格的生殖隔离，通过有性杂交可以获得杂种第一代种子，但其结实率因普通栽培稻的倍性水平而异。在以同源四倍体水稻或以二倍体水稻为杂交母本，以非洲栽培稻为花粉供体所配制的32个杂交组合中，其杂种第一代群体均表现出明显的营养生长优势。从群体的生长势来看，杂种第二代群体比杂种第一代群体要弱一些;在杂种第二代群体中，在以同源四倍体水稻为杂交母本的杂交组合中所表现的分离现象比在以二倍体水稻为杂交母本的杂交组合中所表现的分离现象更明显。在各杂交组合的第三代群体中，从植株的株叶形态和生育期来看，株系间的差异和株系内的变异依然很明显，变异频率更宽，变异种类更多。在普通栽培稻与非洲栽培稻的杂交组合中，育性变异、生长势变异、株叶形态变异、染色体变异和结实性变异等是比较容易发现的变异现象。根据实验结果可以肯定，利用同源四倍体水稻为杂交母本与非洲栽培稻杂交更容易将后者的遗传物质引入到亚洲栽培稻，这将为普通栽培稻的遗传改良找到了一条值得进一步研究的新途径。

参考文献

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［3］中国农学会，中国水稻研究所，国家杂交水稻工程技术研究中心.21世纪世界水稻遗传育种展望［M］．北京:中国农业科技出版社，1999，10．

［4］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．

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［9］黄群策，梁芳．同源四倍体水稻与非洲栽培稻杂交的效果［J］．杂交水稻，2003，18(4):66－68．

［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．

［11］黄群策，孙敬三，朱生伟．种芽诱导获得同源四倍体水稻的技术［J］．中国农学通报，1997，3(6):21－23．

［12］李懋学，张赞平．作物染色体及其研究技术［M］．北京:中国农业出版社，1996．

【注释】

(1)该文曾在《杂交水稻》 ［2005，20(4):66～68］刊出