王愛民 周小燕 姚立生 孫明法 單忠德 嚴(yán)國(guó)紅

(1.鹽城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,江蘇 鹽城 224002； 2.東臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 東臺(tái) 224215)

自1973年石明松發(fā)現(xiàn)光敏型核不育系農(nóng)墾58S以來，我國(guó)就開辟了水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用的新途徑，即兩系法雜交水稻。在80年代中后期，全國(guó)掀起了兩系雜交水稻的研究熱潮。兩系雜交水稻是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的以光溫敏核不育性的利用為主要內(nèi)容的高新技術(shù)，同時(shí)也是作物遺傳育種上的又一次重大技術(shù)革新[1]。然而，頻繁出現(xiàn)的異常低溫天氣，不僅造成光溫敏不育系表現(xiàn)育性波動(dòng)，給水稻生產(chǎn)帶來巨大的影響，而且使兩系雜交水稻育種研究遭受到不少的困難和挫折。由此可見，開展異常低溫天氣對(duì)兩系雜交水稻的影響及對(duì)策的研究有著非常重要的意義。

1 兩系雜交水稻育種的基本概念與方法

1.1 水稻光溫敏核不育性與兩用核不育系

1.1.1光溫敏核不育系的概念。水稻花粉育性在光周期和溫度等因素影響下可發(fā)生明顯轉(zhuǎn)換，且這種育性轉(zhuǎn)換只受細(xì)胞核基因控制的遺傳穩(wěn)定品系叫光溫敏核不育系。這種品系在一定光、溫條件下花粉徹底敗育，可進(jìn)行雜交制種；在另一些光、溫條件下花粉可育，自交結(jié)實(shí)，繁殖自身，實(shí)現(xiàn)“一系兩用”。日長(zhǎng)誘導(dǎo)育性轉(zhuǎn)換的敏感期為幼穗分化的第三期到第五期，即第二次枝梗及穎花分化期至花粉母細(xì)胞形成期，其中最敏感的時(shí)期為第四期，即雌雄蕊形成期。溫度誘導(dǎo)育性轉(zhuǎn)換的敏感期在幼穗分化的第五期到第六期，即花粉母細(xì)胞形成期至花粉單核期；其中最敏感的時(shí)期為第六期，即花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期。

1.1.2光溫敏核不育系的育性轉(zhuǎn)換規(guī)律-光溫作用模式。光溫敏核不育系的育性轉(zhuǎn)換同時(shí)受光周期與溫度協(xié)同調(diào)控。在光敏溫度范圍內(nèi)，光周期作用與溫度存在正向互補(bǔ)效應(yīng)，即溫度升高臨界光長(zhǎng)可縮短，溫度降低臨界光長(zhǎng)可延長(zhǎng)。在自然條件下光敏溫度范圍寬的材料表現(xiàn)為光敏不育，窄的表現(xiàn)為溫敏不育。

1.1.3光溫敏核不育性的遺傳。不育性受核基因控制，正、反交F1花粉育性相同。不育性受隱性核基因控制，一般品種都含有其等位基因，因而不育系的恢復(fù)譜極廣，同一亞種內(nèi)幾乎所有的正常品種都能使其育性恢復(fù)正常。控制不育性的主基因數(shù)目，一般認(rèn)為農(nóng)墾58S及其衍生系為一到二對(duì)，安農(nóng)S-1及其衍生系為一對(duì)。微效多基因(遺傳背景)對(duì)主基因有較大的修飾作用，主要表現(xiàn)為在不育性表達(dá)所需的光、溫條件有很大差異。

1.1.4光溫敏核不育系再生復(fù)育。一些光溫敏核不育系的再生稻能夠恢復(fù)可育，而同期抽穗的頭季稻仍保持完全不育。這種雄性不育系再生稻恢復(fù)可育的特性稱之為再生復(fù)育。再生復(fù)育是可遺傳性狀，可作為核不育系繁種新途徑，也可用于選育起點(diǎn)溫度(可育臨界溫度)更低的兩用核不育系。

1.1.5光溫敏核不育系選育。根據(jù)光溫敏核不育系育性轉(zhuǎn)換規(guī)律及自然界溫度變化特點(diǎn)，核不育系唯有起點(diǎn)溫度低，才能避免異常低溫對(duì)其育性的不利影響，確保制種安全，才具有實(shí)用價(jià)值。為此，選育光溫敏核不育系的技術(shù)路線是在不同的自然或人工光溫條件下開展生態(tài)育種，技術(shù)措施主要是利用不同緯度、不同海拔、不同季節(jié)的自然光溫條件對(duì)分離世代進(jìn)行鑒定與選擇，技術(shù)關(guān)鍵是在強(qiáng)大的長(zhǎng)日低溫(23℃)選擇壓力下選完全不育株，再在再生或短日條件下選可育株。

1.2 兩系雜交水稻的種子生產(chǎn)程序

兩系雜交水稻種子生產(chǎn)分不育系繁殖，恢復(fù)系繁殖和雜交稻制種三個(gè)部分。其生產(chǎn)流程如圖1。

不育系繁殖 雜交制種 不育系(rr)在短日和低溫等條件下在長(zhǎng)日和高溫等條件下(×)不育系不育系○+×恢復(fù)系↑○(rr) (rr)(RR) F1雜交稻種(×)(Rr) 恢復(fù)系↑○ (RR)

圖1兩系雜交稻種子生產(chǎn)流程

2 異常低溫天氣對(duì)兩系雜交水稻的影響

2.1 對(duì)兩系雜交水稻育種工作的影響

我們發(fā)現(xiàn)，我國(guó)現(xiàn)已育成的兩系核不育系及中間材料，大多數(shù)起點(diǎn)溫度還不夠低，在遇到異常低溫天氣侵襲的時(shí)候，往往會(huì)發(fā)生育性轉(zhuǎn)變；同一植株上的不同分蘗之間，同一穗子的不同穗層之間的育性都發(fā)生分化，有的可育，有的不育。這就給兩系雜交水稻育種工作帶來了極大的困難和不利影響。無論是雜交配組還是新組合制種，無論是育性觀察還是綜合性狀的觀察都很難順利進(jìn)行，從而延緩了兩系雜交水稻育種的進(jìn)程。

2.2 對(duì)兩系雜交水稻生產(chǎn)的影響

首先，光溫敏核不育系的育性受光溫條件的控制，外界光溫條件的變化可造成不育系的育性波動(dòng)，導(dǎo)致不育系自交結(jié)實(shí)，加大了兩系雜交水稻在生產(chǎn)上的利用風(fēng)險(xiǎn)。其次，目前生產(chǎn)上應(yīng)用的不育系有許多沒有嚴(yán)格按照種子生產(chǎn)規(guī)程來繁殖，存在起點(diǎn)溫度的“漂變”現(xiàn)象[2]。另外，中國(guó)稻區(qū)屬于季風(fēng)氣候，兩系雜交水稻制種遭遇異常低溫天氣的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，光溫敏核不育系在孕穗期間一旦碰到異常低溫天氣就會(huì)自交結(jié)實(shí)，出現(xiàn)“假雜種”，嚴(yán)重影響種子的純度，甚至報(bào)廢。

可以這樣說，在種子生產(chǎn)季節(jié)，異常低溫天氣對(duì)兩系雜交水稻生產(chǎn)的影響是巨大的，歷史上的教訓(xùn)是慘痛的。1989年長(zhǎng)江流域稻區(qū)出現(xiàn)的異常盛夏低溫天氣，不僅造成了當(dāng)時(shí)已育成的絕大多數(shù)光溫敏不育系表現(xiàn)明顯的育性波動(dòng)，給水稻生產(chǎn)帶來巨大的影響，而且使兩系雜交水稻育種研究遭受到重大挫折。1999年湖南省生產(chǎn)的兩系雜交水稻組合香兩優(yōu)68，因受低溫影響而導(dǎo)致1300hm2制種田的種子發(fā)生嚴(yán)重混雜。2001至2002年連續(xù)兩年的秋季低溫，造成大面積兩系雜交水稻制種失敗。其中2002年8月中旬的盛夏低溫，導(dǎo)致江蘇、湖北等省生產(chǎn)的兩優(yōu)培九種子有三分之一的純度不合格，不能用于大田生產(chǎn)。2009年，江蘇同樣遇到了這樣的氣候，母本凡是在8月20日前抽穗的絕大多數(shù)出現(xiàn)自交結(jié)實(shí)，生產(chǎn)的兩系雜交稻種子純度不合格，給種子生產(chǎn)企業(yè)和國(guó)家的糧食生產(chǎn)均帶來了巨大的損失。

3 針對(duì)異常低溫天氣的應(yīng)對(duì)策略

3.1 在兩系雜交水稻育種工作上的應(yīng)對(duì)策略

3.1.1加強(qiáng)光溫敏核不育系不育性的穩(wěn)定性的研究。光溫敏核不育系早期的研究多偏重于育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度及其轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)不育性表達(dá)的穩(wěn)定性的重視欠缺，致使在生產(chǎn)應(yīng)用過程中常出現(xiàn)由于育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度漂變而導(dǎo)致種子生產(chǎn)失敗的現(xiàn)象。廖伏明等[3]對(duì)培矮64S、香125S、安湘S等光溫敏核不育系不育性表達(dá)不穩(wěn)定的遺傳機(jī)制研究表明，不育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度受微效多基因控制，不育起點(diǎn)溫度的遺傳基礎(chǔ)不純或遺傳雜合性是導(dǎo)致不育性表達(dá)不穩(wěn)定的內(nèi)在原因，從而增加了利用的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2加強(qiáng) “雙低”光溫敏核不育系的選育工作。陳良碧等[4]研究認(rèn)為安全利用光溫敏核不育系的原則是選育生理不育起點(diǎn)溫度和育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度均低的“雙低”不育系，并開展此類不育系的選育。也有學(xué)者認(rèn)為[5]，要從根本上解決光溫敏核不育系利用的安全性問題，最好的辦法是選育具有雙重保險(xiǎn)機(jī)制的不育系，即只有同時(shí)具備短日和低溫條件才表現(xiàn)可育的不育系，才能做到兩系雜交水稻種子生產(chǎn)過程中的“零風(fēng)險(xiǎn)”，當(dāng)前已經(jīng)選育出了幾個(gè)具備此特征的不育系。

3.1.3充分利用異常低溫天氣，加強(qiáng)育種材料的雜交配組和篩選工作。異常低溫天氣的出現(xiàn)，雖然對(duì)于大田生產(chǎn)上造成了巨大的損失，但從育種的角度出發(fā)，同時(shí)也是一種機(jī)遇。首先，在這種氣候條件下，我們可以大量淘汰育性不穩(wěn)定的材料，大量淘汰不育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度高的材料，從而自然篩選出不育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度低的材料。在某種程度上反而加快了育種進(jìn)程，減少了許多無用功，節(jié)省了許多人力和物力，提高了育種效率。其次，我們可以充分利用不育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度低的材料大量雜交配組，增加了在育種后代材料中出現(xiàn)不育性轉(zhuǎn)換起點(diǎn)溫度低的材料的概率，增加了育種目標(biāo)的預(yù)見性。

3.1.4加強(qiáng)出穗整齊的光溫敏核不育系選育工作。許多育種工作者在兩系雜交水稻的研究過程中，往往在不育系篩選中片面地追求植株的分蘗性，而忽略了植株的出穗整齊度。所以，在目前生產(chǎn)上應(yīng)用許多光溫敏核不育系存在出穗不整齊的問題，抽穗期前后拉得較長(zhǎng)，這在無形中增加了遇見不良低溫天氣的概率，進(jìn)而增加了兩系雜交水稻制種的風(fēng)險(xiǎn)性。在此，我們認(rèn)為在光溫敏核不育系的選育上，不要一味地追求不育系的分蘗性，而應(yīng)注重不育系植株的出穗整齊度。另外，兩系雜交水稻的分蘗性可以通過加強(qiáng)父本的分蘗性選育來得到互補(bǔ)。

3.2 在兩系雜交水稻種子生產(chǎn)上的應(yīng)對(duì)策略

3.2.1嚴(yán)格按照操作規(guī)程，繁殖合格的制種不育系種子。目前，許多兩系雜交水稻生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)光溫敏核不育系的繁殖大多采用原種或生產(chǎn)用種在海南加代或當(dāng)?shù)厍锊?，繁殖代?shù)較高，致使不育系不育起點(diǎn)溫度出現(xiàn)“漂變”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了種子質(zhì)量。實(shí)踐證明，袁隆平提出的“核心種子”生產(chǎn)技術(shù)程序能有效地防止不育系不育起點(diǎn)溫度的“漂變”現(xiàn)象[6，7]。具體生產(chǎn)程序?yàn)椋翰挥祮沃赀x擇→低溫或長(zhǎng)日低溫處理→再生留種(核心種)→原原種(低溫冷藏或根繁)→原種→生產(chǎn)用種。

3.2.2充分掌握父母本的特征特性，合理安排抽穗揚(yáng)花期和不育系的安全育性敏感期。在雜交水稻制種中，有利于父母本抽穗、開花、授粉的時(shí)期，稱為抽穗揚(yáng)花授粉安全期[8]。一般情況下，兩系雜交水稻制種抽穗揚(yáng)花授粉安全期的氣象要求為：從母本見穗起至授粉結(jié)結(jié)束的十多天內(nèi)，天氣晴好，日平均溫度25～28℃，揚(yáng)花當(dāng)天午間氣溫28～32℃，相對(duì)濕度70%～80﹪，晝夜溫差10℃左右；此期間不能出現(xiàn)2～3日整天雨日，抽穗當(dāng)日日最低氣溫低于23℃、日最高氣溫高于35℃、或刮“火南風(fēng)”、“干北風(fēng)”、相對(duì)濕度低于65﹪等天氣[9]。

有研究表明，雜交水稻制種抽穗揚(yáng)花期天氣與異交結(jié)實(shí)率密切相關(guān)，其中以日平均溫度對(duì)異交結(jié)實(shí)率的影響最為明顯[10]。因此抽穗揚(yáng)花授粉期是否安全，是影響種子質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵之一。而只有充分了解父母本的特征特性，才能制定合理的制種方案，才能確定合理的抽穗揚(yáng)花期。

育性敏感期是指在光溫敏核不育系生長(zhǎng)發(fā)育的一定時(shí)期，其核不育因子在環(huán)境因子(主要是光照和溫度)的控制下決定雄性的可育或不育，這一時(shí)期稱為育性敏感期[8，9]。不同的不育系之間育性敏感期存在一定的差異。安排光溫敏核不育系的安全育性敏感期時(shí)，應(yīng)根據(jù)制種不育系的播始?xì)v期及育性敏感期與幼穗分化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，準(zhǔn)確推算出敏感期的預(yù)期時(shí)段，再對(duì)照當(dāng)?shù)貧庀蟛块T多年累積的氣象資料檢查預(yù)期敏感期時(shí)段內(nèi)可能出現(xiàn)異常低溫天氣的發(fā)生頻率，預(yù)期敏感期時(shí)段的氣象安全保證率應(yīng)在95%以上。若制種不育系具有光敏特性，要注意不育系敏感期內(nèi)的光長(zhǎng)變化，避免因日照時(shí)數(shù)減少導(dǎo)致光敏核不育系的育性改變[9]。

3.2.3合理安排種子收獲安全期，及時(shí)收獲。育性敏感安全期和抽穗揚(yáng)花授粉期安全期是兩系雜交水稻制種非常重要的環(huán)節(jié)，也是育種家和種子生產(chǎn)企業(yè)最為關(guān)注的問題，而種子安全收獲期往往被忽視。種子安全收獲期是指種子成熟時(shí)天氣晴好，沒有連續(xù)的陰雨天氣，有利于種子的成熟，防止穗發(fā)芽，也利于收獲[11，12]。因?yàn)椴挥岛笃诮?jīng)常有一部分小分蘗穗在秋季短日低溫條件下容易出現(xiàn)育性轉(zhuǎn)換，自交結(jié)實(shí)，如不及時(shí)收獲，這部分種子因具有發(fā)芽成苗的能力，會(huì)影響種子的純度而降低種子的質(zhì)量。因此，種子安全收獲期也是非常重要的因素。

3.2.4擴(kuò)大規(guī)模，分散制種基地，減低制種風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于得到市場(chǎng)的承認(rèn)，市場(chǎng)需求量大的兩系雜交水稻組合生產(chǎn)量要大，適度擴(kuò)大規(guī)模。這樣才能安排多個(gè)不同生態(tài)條件的適宜基地分散制種，對(duì)出現(xiàn)純度問題的種子才能具有緩沖余地，才能降低異常低溫天氣帶來的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力不強(qiáng)，承受風(fēng)險(xiǎn)能力差的單位最好不要從事兩系雜交稻的生產(chǎn)。這樣才能確保種子質(zhì)量和產(chǎn)量，保持市場(chǎng)穩(wěn)定，才能確保種子生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和維護(hù)糧農(nóng)的利益，維持國(guó)家糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定增長(zhǎng)。

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