謝勇堯，湯金濤，楊博文，胡駿，劉耀光，陳樂天

水稻育性調(diào)控的分子遺傳研究進(jìn)展

謝勇堯1，湯金濤1，楊博文1，胡駿2，劉耀光1，陳樂天1

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實驗室，廣州 510642 2. 武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，雜交水稻國家重點(diǎn)實驗室，武漢 430072

雜交水稻為世界糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。細(xì)胞質(zhì)雄性不育和光/溫敏不育分別是三系和兩系雜交稻生產(chǎn)利用的遺傳基礎(chǔ)，而(亞)種間雜種不育則是雜交稻生產(chǎn)中要克服的主要技術(shù)瓶頸。因此，水稻育性調(diào)控是雜交水稻生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵，也是研究植物核質(zhì)互作和物種生殖隔離等基礎(chǔ)科學(xué)問題的重要模型。我國植物遺傳學(xué)家在闡明雜交水稻育性調(diào)控的分子遺傳基礎(chǔ)領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。本文回顧了我國雜交水稻的發(fā)展歷程，系統(tǒng)總結(jié)了雜交水稻生產(chǎn)涉及的細(xì)胞質(zhì)雄性不育與恢復(fù)、光/溫敏不育與育性轉(zhuǎn)換、雜種不育與親和性的遺傳基礎(chǔ)和分子作用機(jī)制，探討了我國雜交水稻生產(chǎn)存在的問題，指明了水稻雜種優(yōu)勢利用的發(fā)展方向。

雜交稻；細(xì)胞質(zhì)雄性不育；雜種不育；光/溫敏不育；育性恢復(fù)

水稻(L.)是全球近50%人口及我國65%以上人口的主糧，隨著人口增加與耕地面積減少的矛盾日益突出，提高水稻產(chǎn)量對保障全球糧食安全具有重要意義[1]。矮桿育種和雜種優(yōu)勢利用是水稻育種史上的兩次重要的飛躍。在這兩次飛躍中，我國的植物遺傳學(xué)家發(fā)揮了非常重要的作用。

1956年，我國作物遺傳育種學(xué)家黃耀祥院士以“矮仔占”為原始材料，篩選出“矮仔占4號”，然后與高稈品種“廣場13”雜交，培育出第一個矮稈秈稻品種“廣場矮”[2]。這一研究成果極大地推動了我國水稻育種的第一次“綠色革命”。1970年，袁隆平院士團(tuán)隊率先發(fā)現(xiàn)了花粉敗育完全的野生稻，簡稱為野敗[3]。經(jīng)過全國大協(xié)作，成功地將這一創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到三系雜交稻育種[3]。我國自主研發(fā)的雜交稻一直處于世界領(lǐng)先水平，為世界糧食生產(chǎn)做出了重大貢獻(xiàn)，是我國育種史上的第二次重要飛躍[4]。

雜交水稻育種經(jīng)歷了三系雜交稻育種和兩系雜交稻育種，目前正向一系雜交稻育種邁進(jìn)(圖1)。目前雜交稻利用主要依賴于亞種內(nèi)雜種優(yōu)勢的利用，由于亞種內(nèi)遺傳差異小，雜種優(yōu)勢弱，利用潛力已經(jīng)達(dá)到極限，難創(chuàng)新高，亟需利用遺傳差異更大的(亞)種間的雜種優(yōu)勢利用來進(jìn)一步提高糧食產(chǎn)量[5]。但(亞)種間存在嚴(yán)重的雜種不育現(xiàn)象(即雜種不能正常結(jié)實，導(dǎo)致雜種的產(chǎn)量優(yōu)勢無法體現(xiàn))，從而嚴(yán)重限制了(亞)種間的強(qiáng)優(yōu)勢的利用。

因此，闡明三系雜交稻涉及的細(xì)胞質(zhì)雄性不育與恢復(fù)、兩系雜交稻涉及的光/溫敏不育與育性轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢利用涉及的(亞)種間雜種不育與親和的分子遺傳基礎(chǔ)，具有重要的生產(chǎn)價值和理論意義。為此，本文回顧了我國雜交水稻的發(fā)展現(xiàn)狀及其研究歷史，總結(jié)了雜交水稻育性控制的分子遺傳基礎(chǔ)，展望了雜交稻的發(fā)展前景，以期為我國水稻雜交育種突破瓶頸提供新思路。

圖1 雜交水稻育種體系的發(fā)展階段

雜交水稻育種體系分為三系、兩系、一系3個發(fā)展階段。三系雜交育種體系由保持系、細(xì)胞質(zhì)雄性不育系和恢復(fù)系組成。保持系和恢復(fù)系能夠通過自交進(jìn)行擴(kuò)繁，而細(xì)胞質(zhì)雄性不育系通過與保持系雜交進(jìn)行繁種，不育系與恢復(fù)系雜交獲得雜種F1。兩系雜交育種體系由光/溫敏不育系和恢復(fù)系組成。光/溫敏不育系在短日照或低溫條件下可育，能自交繁殖；在長日照或高溫條件下不育，與恢復(fù)系雜交獲得雜種F1。一系雜交育種體系則是通過雜種F1的無融合生殖，實現(xiàn)持續(xù)繁殖雜交種，固定雜種優(yōu)勢。

1 三系雜交稻涉及的細(xì)胞質(zhì)雄性不育與育性恢復(fù)的分子遺傳基礎(chǔ)

1.1 三系雜交稻簡介

雜種優(yōu)勢是指雜種F1在生長勢、生物量和生長速度等方面優(yōu)于雙親的現(xiàn)象[6]。我國雜交水稻育種始于1964年，袁隆平院士[7]率先提出水稻雜種優(yōu)勢利用的概念。“三系”育種正式拉開了水稻雜種優(yōu)勢利用的序幕。該育種體系由3個遺傳育種材料系構(gòu)成，分別為不育系、保持系和恢復(fù)系(圖1)[8]。細(xì)胞質(zhì)雄性不育系帶有細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因，但不攜帶功能性核恢復(fù)基因，因此花粉表現(xiàn)為不育，無法自交產(chǎn)生后代；但其雌性器官不受影響，柱頭可以接受保持系或恢復(fù)系的花粉產(chǎn)生雜交后代。保持系既不攜帶細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因，也不攜帶功能性恢復(fù)基因，其花粉表現(xiàn)為可育。保持系與不育系的雜種后代能夠維持細(xì)胞質(zhì)雄性不育的特性，從而達(dá)到繁殖不育系的目的。恢復(fù)系含有功能性核恢復(fù)基因，能夠恢復(fù)不育系的育性，且與不育系存在一定的遺傳差異，用于生產(chǎn)具有雜種優(yōu)勢的雜交種子[8]。因此，解析細(xì)胞質(zhì)雄性不育和育性恢復(fù)的分子基礎(chǔ)有利于了解三系雜交稻育性調(diào)控制的基礎(chǔ)，并以此推動三系雜交稻的升級改造。

三系育種中，水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的發(fā)現(xiàn)與利用是三系雜交稻的雜種優(yōu)勢應(yīng)用的基礎(chǔ)，對糧食安全具有劃時代的意義[9]。目前，野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育(wild-abortive type cytoplasmic male sterility, CMS-WA)、包臺型細(xì)胞質(zhì)雄性不育(BoroⅡtype CMS, CMS-BT)和紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育(Hong-Lian type CMS, CMS-HL)是應(yīng)用于三系雜交稻的3大細(xì)胞質(zhì)雄性不育系。其中，CMS-WA和CMS-HL是由我國科學(xué)家袁隆平院士團(tuán)隊和朱英國院士團(tuán)隊獨(dú)立發(fā)掘的種質(zhì)資源[3]。這些不育系已經(jīng)推廣應(yīng)用了幾十年，但長期以來關(guān)于它們的育性控制分子機(jī)制仍不清楚。直到近10多年，我國植物遺傳學(xué)家才一一揭開了謎底，為闡明控制三大不育系的不育與恢復(fù)分子機(jī)制做出了突出貢獻(xiàn)。

1.2 細(xì)胞質(zhì)雄性不育發(fā)生的假說及其分子基礎(chǔ)

細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的克隆與功能分析是闡明其不育分子基礎(chǔ)的關(guān)鍵。經(jīng)過多年的努力，我國科學(xué)家們克隆了這3大類細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的不育基因，提出了多種導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)雄性不育的作用機(jī)制假說。

1.2.1 PCD提前發(fā)生假說

絨氈層的正常發(fā)育對花粉發(fā)育非常重要，其提前或延后降解都會影響植株的花粉育性[10]。細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因?qū)е轮仓杲q氈層的程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death, PCD)提前發(fā)生的現(xiàn)象首次在向日葵()中被發(fā)現(xiàn)[11]。Luo等[12]發(fā)現(xiàn)水稻CMS-WA的不育基因也能導(dǎo)致絨氈層的PCD提前發(fā)生，從而使得花粉敗育，并闡明了其產(chǎn)生的分子機(jī)制。

1970年，袁隆平院士團(tuán)隊率先發(fā)現(xiàn)了CMS-WA不育株；1973年，顏龍安院士團(tuán)隊將CMS-WA型細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料育成實用性不育株系珍汕97A (ZS97A)，并于1976年開始推廣應(yīng)用CMS-WA三系雜交稻。CMS- WA不育系的花粉呈現(xiàn)典型不規(guī)則形狀，且不積累淀粉；在遺傳上，其不育特性受母體細(xì)胞質(zhì)基因控制。CMS-WA不育系在生產(chǎn)上推廣了將近20多年后，其控制基因仍未被克隆。直到2002年，水稻線粒體基因組測序完成[13]，Liu等[14]利用該序列信息，采取線粒體全基因組差異比較策略，對野敗不育系ZS97A及其保持系的mtDNA進(jìn)行結(jié)構(gòu)與表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)在不育系中存在2個特異轉(zhuǎn)錄本。Luo等[12]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其中一個轉(zhuǎn)錄本為嵌合基因編碼的蛋白產(chǎn)物，含有352個氨基酸，命名為，是引起CMS-WA不育系花粉敗育的基因；的表達(dá)呈現(xiàn)為組成型，但其編碼的蛋白在小孢子母細(xì)胞期的花藥絨氈層中特異積累；WA352蛋白屬于典型的跨膜蛋白，其跨膜區(qū)對大腸桿菌能夠產(chǎn)生毒性，但該區(qū)段并不能引起雄性不育；WA352蛋白通過與核編碼蛋白COX11 (細(xì)胞色素C氧化酶的組裝因子)互作，抑制COX11清除活性氧(reactive oxygen species, ROS)的功能，而導(dǎo)致了花藥絨氈層細(xì)胞內(nèi)ROS異常積累，進(jìn)而引起PCD提前發(fā)生，最終導(dǎo)致雄性不育。

1.2.2 細(xì)胞質(zhì)蛋白毒性假說

1988年，Dewey等[15]發(fā)現(xiàn)玉米(L.)細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因編碼細(xì)胞毒素能引起花粉敗育，首次提出了線粒體異?；蚓幋a細(xì)胞毒素的假說。Wang等[16]發(fā)現(xiàn)CMS-BT的不育機(jī)制符合這一假說。

CMS-BT不育系由日本學(xué)者新城長友(Chou Shinjyo)[17]于1966年以印度秈稻Chinsurah BoroⅡ為母本，與粳稻臺中65雜交，并經(jīng)過連續(xù)回交而育成的水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育類，但由于其配合力及雜種優(yōu)勢不強(qiáng)等因素導(dǎo)致其沒有得到廣泛的應(yīng)用。Wang等[16]發(fā)現(xiàn)，BT型系統(tǒng)的不育系中，下游存在一個基因—，該基因編碼一個含有79個氨基酸的細(xì)胞毒素蛋白。該基因的功能互補(bǔ)轉(zhuǎn)基因植株的花粉為配子體不育，證明就是BT型細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因。編碼的細(xì)胞毒素對細(xì)菌具有致死的效應(yīng)，并能在花藥小孢子中特異積累，導(dǎo)致攜帶的花粉敗育。

1.2.3 能量供給紊亂假說

2003年，Sabar等[18]發(fā)現(xiàn)在向日葵細(xì)胞質(zhì)雄性不育系中，線粒體異常的讀碼框(open reading frame, ORF)會導(dǎo)致不育系的能量供給出現(xiàn)紊亂的現(xiàn)象。Wang等[19]發(fā)現(xiàn)CMS-HL的不育基因也導(dǎo)致不育系的能量供給出現(xiàn)紊亂，從而揭示其CMS發(fā)生的分子機(jī)制。

水稻CMS-HL是朱英國院士團(tuán)隊于1974年利用海南紅芒野生稻為母本，以秈稻蓮塘早為父本育成。通過比較紅蓮型不育系粵泰A和其保持系粵泰B的線粒體基因組序列，發(fā)現(xiàn)在下游214 bp處存在一個與CMS相關(guān)的開放閱讀框，與序列相比，兩者高度同源，在編碼區(qū)只存在5個SNP差異，從而導(dǎo)致4個氨基酸發(fā)生改變[20]。Peng等[21]通過遺傳轉(zhuǎn)化，證明就是CMS-HL的不育基因。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，ORFH79能夠使得不育系的能量供給產(chǎn)生紊亂的現(xiàn)象；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ORFH79通過與電子傳遞鏈復(fù)合體Ⅲ的一個亞基P61互作，影響復(fù)合體Ⅲ的酶活性，從而引起能量供給紊亂和ROS爆發(fā)，最終導(dǎo)致花粉敗育。

1.3 細(xì)胞質(zhì)雄性不育育性恢復(fù)的分子基礎(chǔ)

三系雜交稻恢復(fù)系恢復(fù)基因的克隆與功能分析是闡明其恢復(fù)育性分子基礎(chǔ)的關(guān)鍵。同樣，我國科學(xué)家們?yōu)榭寺∪箢惣?xì)胞質(zhì)雄性不育的恢復(fù)基因也做出了巨大貢獻(xiàn)。已克隆的水稻細(xì)胞質(zhì)雄性恢復(fù)基因大部分編碼PPR(pentatricopeptide repeat)蛋白，對細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因的調(diào)控主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控。

CMS-WA不育系的育性恢復(fù)受到兩個主效的核基因座位控制，分別是位于第10染色體上的座位和位于第1染色體上的座位。編碼一個包含782個氨基酸的PPR蛋白，能夠?qū)⒌膍RNA水平降低到不育系的20%左右，從而抑制細(xì)胞質(zhì)雄性不育[12,22]。而則在蛋白水平調(diào)控WA352蛋白的積累[12]。

CMS-BT不育系的育性恢復(fù)基因和都編碼N端具有線粒體定位信號的PPR蛋白[16]。RF1a直接參與不育基因轉(zhuǎn)錄本的加工，將其剪切成1.5 kb和0.45 kb的2個片段；是在不存在的情況下介導(dǎo)不育基因相關(guān)轉(zhuǎn)錄本的完全降解。這兩種作用的結(jié)果都導(dǎo)致不育基因的轉(zhuǎn)錄后基因的沉默，從而恢復(fù)花粉發(fā)育。在和共同存在的情況下，具有上位性效應(yīng)，不能進(jìn)一步作用于被介導(dǎo)切斷的mRNA片段[16]。

CMS-HL育性恢復(fù)基因和也編碼PPR蛋白。與CMS-BT的恢復(fù)基因是同一個基因，但其對的作用機(jī)理有所不同。RF5在輔助因子GRP162的幫助下結(jié)合到紅蓮型的不育基因轉(zhuǎn)錄本，進(jìn)一步在RFC3等蛋白的幫助完成對轉(zhuǎn)錄本的切割，使花粉恢復(fù)育性[23]。RF6蛋白與OsHXK6結(jié)合，促進(jìn)不育轉(zhuǎn)錄本在新位點(diǎn)進(jìn)行加工剪切，從而恢復(fù)育性[24]。此外，不僅參與CMS-HL的育性恢復(fù)，同時也參與CMS-BT的育性恢復(fù)。

2 兩系雜交稻涉及的溫敏不育與育性轉(zhuǎn)換的分子遺傳基礎(chǔ)

2.1 兩系雜交稻的發(fā)展現(xiàn)狀

在三系雜交水稻育種剛剛起步之時，兩系雜交水稻育種也緊隨其后。1973年，我國育種家石明 松[25]在粳稻品種農(nóng)墾58中發(fā)現(xiàn)了一個光溫敏不育株，這一開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)正式拉開了我國兩系雜交水稻育種的序幕。隨后，我國育種家鄧華鳳等[26]培育了秈型溫敏不育系安農(nóng)S，極大推動了我國秈型兩系雜交育種的進(jìn)程。兩系育種系統(tǒng)中含有兩個品系：光/溫敏不育系和恢復(fù)系(圖1)。光/溫敏不育系受光/溫調(diào)控具有可育與不育的兩面性，在短日照(或低溫)條件下，表現(xiàn)為正?？捎陂L日照(或高溫)條件下，表現(xiàn)為不育[8]。根據(jù)這一特性，該不育系在不育時用于制種，在可育時用于自身繁種。而兩系中的另一品系為恢復(fù)系，用于與不育系進(jìn)行制種。兩系法進(jìn)一步擴(kuò)大了育種的配組限制，提高了雜交育種的遺傳多樣性。

近年來，我國科學(xué)家克隆了控制兩大光溫敏不育系的育性相關(guān)基因，闡明了非編碼RNA介導(dǎo)光溫敏不育和編碼蛋白的功能缺失介導(dǎo)的光溫敏不育的分子機(jī)制。

2.2 非編碼RNA介導(dǎo)的光溫敏不育的分子遺傳基礎(chǔ)

農(nóng)墾58S的光溫敏不育特性在粳稻農(nóng)墾58的背景下單位點(diǎn)隱性的自然突變所致，通過日長處理實驗發(fā)現(xiàn)，其不育特性主要與光照長短有關(guān)。利用農(nóng)墾58S與不同秈稻的雜交，發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾58S的不育特性在不同遺傳背景下，受到兩個位點(diǎn)(顯性，定位在7號染色體)和(隱性，定位在12號染色體)共同控制[27]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，和編碼兩個非編碼的RNA，參與調(diào)控農(nóng)墾58S的光溫敏不育特性。

是農(nóng)墾58S原始的自發(fā)突變位點(diǎn)，其編碼的非編碼RNA在農(nóng)墾58和農(nóng)墾58S之間只存在一個堿基差異(C>G)[28]。該突變可能改變了非編碼RNA二級結(jié)構(gòu)，從而使得非編碼RNA基因的啟動子區(qū)甲基化水平提高，導(dǎo)致基因表達(dá)水平低而引起不育[28]。與此同時，控制秈稻培矮64S溫敏不育特性的基因/也被克隆，該基因?qū)嶋H就是[29]。有趣的是，/()在秈稻背景下主要表現(xiàn)為溫敏不育，不同于在粳稻農(nóng)墾58S中的光敏不育表型。Zhou等[29]發(fā)現(xiàn)，該SNP(C>G)位于一個21nt小RNA— osa-smR5864第11位堿基處。野生型osa-smR5864w能夠抑制下游基因的表達(dá)，而突變型osa-smR5864m喪失了抑制功能，最終導(dǎo)致了光溫敏不育。

農(nóng)墾58S的編碼一個長鏈非編碼RNA[30]。該RNA能夠被長度為22nt microRNA—識別，降解成18對長度為21nt的phasiRNA。其中1對phasiRNA含有能夠引起功能變異的SNP位點(diǎn)，暗示該phasiRNA的調(diào)控下游的能力在不同親本存在差異，從而參與調(diào)控光敏不育[30]。

這些非編碼RNA調(diào)控植物環(huán)境依賴育性的研究不僅拓寬了人們對環(huán)境依賴育性調(diào)控的分子機(jī)制，也闡明了非編碼RNA在調(diào)控植株發(fā)育的廣泛意義。

2.3 編碼蛋白介導(dǎo)光溫敏不育的分子遺傳基礎(chǔ)

近年來，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些功能缺失的基因能夠產(chǎn)生光溫敏不育。這些基因主要通過調(diào)控光溫誘導(dǎo)有害基因的表達(dá)和光溫誘導(dǎo)同源基因功能補(bǔ)償兩種機(jī)制參與調(diào)控光溫敏不育。

2.3.1 光溫誘導(dǎo)有害蛋白積累的分子機(jī)制

溫敏不育系安農(nóng)S-1和株1S廣泛運(yùn)用在秈型兩系雜交育種，其溫敏特性由單個座位控制[26]。Zhou等[31]發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)為一個編碼核酸酶RNasZS1的基因，由于該基因的一個C>A突變產(chǎn)生了提前終止密碼。的mRNA和蛋白水平的表達(dá)本身沒有溫敏性，這暗示不是通過自身的溫敏特性來影響育性的。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下編碼泛素-60S核糖體蛋白L40的3個基因(Ub1、Ub2和Ub4)的轉(zhuǎn)錄本在植株花藥中的水平顯著高于野生型植株。在野生型植株中超量表達(dá)也會產(chǎn)生雄性不育，說明在花藥中的高表達(dá)會引起雄性不育[31]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，TMS5蛋白能夠降解mRNA，說明高溫下RNasZS1能將mRNA控制較低水平，而的功能缺失導(dǎo)致喪失了降解mRNA的能力，使高溫下過表達(dá)，最終導(dǎo)致溫敏雄性不育。在較低溫度下(23~24℃)，溫敏不育系的的表達(dá)水平較低，因而花藥發(fā)育正常可育。

2.3.2 光溫誘導(dǎo)同源基因功能補(bǔ)償?shù)姆肿訖C(jī)制

除了廣泛應(yīng)用的，近年來還克隆了和等光溫敏相關(guān)基因?；蚓幋a一個R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子，該基因的突變體在短日照條件下不育，長日照條件下可育，表現(xiàn)為反光敏不育性[32]?；蚓幋a一個富含亮氨酸重復(fù)的激酶受體，該基因突變能夠引起植株高溫不育，低溫可育[33]。它們都是通過補(bǔ)償性的光溫敏效應(yīng)來恢復(fù)育性的。基因受到短日照條件誘導(dǎo)高表達(dá)，基因的同源基因和在長日照條件下高表達(dá)，這表明、和在不同日照時長下控制花粉發(fā)育過程可能互為補(bǔ)償關(guān)系[32]?；虮旧聿皇軠囟日T導(dǎo)，但其同源基因在低溫下高表達(dá)，能夠在低溫條件補(bǔ)償?shù)墓δ?，從而恢?fù)植株低溫育性[33]。

3 (亞)種間雜交育性控制的分子遺傳基礎(chǔ)

3.1 (亞)種間雜種優(yōu)勢利用的現(xiàn)狀

水稻栽培種分為亞洲栽培稻(L.)和非洲栽培稻(Steud.)兩個種，而亞洲栽培稻又分為秈稻(L. subsp.)和粳稻(L. subsp.)兩個亞種。目前，三系雜交和兩系雜交主要運(yùn)用秈–秈和粳–粳亞種內(nèi)的雜種優(yōu)勢利用。水稻(亞)種間如秈–粳、亞–非具有更強(qiáng)的雜種優(yōu)勢，其產(chǎn)量潛力比亞種內(nèi)雜交稻高15%~30%以上[5]。但由于(亞)種間存在較大的遺傳背景差異，存在較為嚴(yán)重的雜種不育現(xiàn)象，遠(yuǎn)緣雜種不能結(jié)實，產(chǎn)量優(yōu)勢無法體現(xiàn)，從而阻礙了(亞)種間雜種優(yōu)勢的利用。

水稻(亞)種間雜種不育位點(diǎn)克隆和分子遺傳基礎(chǔ)的研究是打破生殖隔離和(亞)種間雜種優(yōu)勢利用的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。水稻雜種不育座位的遺傳定位和分子克隆已經(jīng)取得了一些突破性進(jìn)展。在水稻中，已經(jīng)遺傳定位的雜種不育座位大約有50個[34,35]。由于雜種不育的遺傳復(fù)雜性，目前只有11個座位(、、/、/和/)的雜種不育相關(guān)基因被克隆[36~49]。

3.2 雜種不育的分子遺傳機(jī)制

根據(jù)這些已克隆雜種不育位點(diǎn)的機(jī)制，可以明確3種雜種不育的分子遺傳機(jī)制：(1)特定配子顯性致死的遺傳機(jī)制；(2)特定配子選擇性顯性保護(hù)的遺傳機(jī)制；(3)重復(fù)隱性致死的遺傳機(jī)制[50]。

3.2.1 特定配子顯性致死的遺傳機(jī)制

特定配子致死的雜種不育機(jī)制是指在雜種中，配子殺手系統(tǒng)能夠特定作用于相應(yīng)的目標(biāo)因子，從而特異地殺滅相應(yīng)配子的一種分子機(jī)制，如水稻秈粳亞種間雜種不育基因座位和座位的雜種不育分子機(jī)制。

座位上是由兩個連鎖基因和組成的一個復(fù)合基因座位[40]。來源于秈稻SaM和SaF共同組成殺手系統(tǒng)，能夠特定作用于粳稻靶標(biāo)基因，從而使得秈粳雜種F1中攜帶的配子選擇性敗育[40]。座位在秈粳稻之間的存在基因組結(jié)構(gòu)的變異[43]。粳稻中的座位只有，該基因編碼一個含有DUF1618結(jié)構(gòu)域的蛋白，是花粉發(fā)育的必需基因；而在秈稻中，與對應(yīng)的基因由于轉(zhuǎn)座子插入而失活，但其旁側(cè)存在2個或3個約28 kb的大片段串聯(lián)重復(fù)的基因組拷貝(、、和)。值得注意的是，的啟動子與啟動子序列完全不同，而編碼區(qū)的序列則高度同源[43]。為二核期花粉特異的低水平表達(dá)，而拷貝為組成型高水平表達(dá)。在雜種F1中，的表達(dá)受到特異性抑制，導(dǎo)致配子敗育[43]。這可能是由于組成一個殺手系統(tǒng)能夠特異性作用啟動子區(qū)，從而抑制在花粉中的表達(dá)。

3.2.2 特定配子選擇性顯性保護(hù)的遺傳機(jī)制

選擇性保護(hù)的雜種不育機(jī)制是指在雜種中，配子殺手系統(tǒng)發(fā)出不育信號能夠無區(qū)別地殺滅所有配子，但含有相應(yīng)保護(hù)因子的配子能夠抑制這種不育信號，從而能夠得到選擇性保護(hù)此類配子而存活的一種分子機(jī)制。

秈粳亞種間雜種不育座位的殺手系統(tǒng)由來源于秈稻和來源于粳稻共同組成，這兩個基因的在孢子體的遺傳互作能夠殺滅雌配子。但秈型雌配子攜帶了有功能的保護(hù)基因，從而抑制該殺滅效應(yīng)而保護(hù)雌配子的正常發(fā)育；粳型的雌配子攜帶的無功能型保護(hù)基因不能抑制殺滅效應(yīng)而導(dǎo)致敗育[47]。類似地，亞洲栽培稻與南方野生稻的種間雜種不育座位的殺手基因ORF2在孢子體產(chǎn)生雄配子敗育信號，但栽培稻型配子攜帶的功能保護(hù)基因ORF3能夠抑制不育效應(yīng)而存活[48]。

最近，關(guān)于亞洲栽培稻與非洲栽培稻(合稱“亞非稻”)雜種不育座位的分子機(jī)制取得了突破性的進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，非洲稻型等位基因座-中存在3個基因—、和，它們的編碼蛋白能夠形成復(fù)合體[44,45]。該復(fù)合體在孢子體引發(fā)對雌配子和雄配子的不育信號，但同時具有保護(hù)配子發(fā)育的雙重功能。因此，攜帶的-型配子能夠得到保護(hù)而選擇性存活，而不攜帶的亞洲稻型-配子(只含有無功能的同源基因)則不被保護(hù)而敗育[44]。區(qū)別于和需要依賴雙親的等位基因互作才能產(chǎn)生雜種不育的分子機(jī)制，座位介導(dǎo)的雜種不育是一種新的只依賴于一方親本(非洲稻型)基因座基因的非對稱遺傳互作模型。此外，該系統(tǒng)的具有雙重功能的特性也不同于和座位的殺手和保護(hù)者是完全獨(dú)立的特性。

3.2.3 重復(fù)隱性致死的分子遺傳機(jī)制

重復(fù)隱性致死的雜種不育機(jī)制是指易位造成一個配子發(fā)育必需基因在不同親本中位于非同源染色體上，在雜種F1中不攜帶配子發(fā)育必需基因的配子會產(chǎn)生敗育的分子機(jī)制。水稻雜種不育基因/、/和/均是配子發(fā)育的必需基因[41,42,46]，由于易位使得配子發(fā)育必需基因在親本間處于非同源染色體。在雜種F1中，同時攜帶無功能型配子發(fā)育必需基因的配子會敗育。例如，和是高度保守的基因，編碼植物特異的小蛋白，對配子發(fā)育都是必需基因[41]。位于1號染色體，秈稻的是無功能的，而粳稻的是有功能的；位于6號染色體，秈稻的是有功能的，粳稻的是無功能的。在雜種F1中，同時攜帶無功能的和的配子會敗育[41]。

3.3 克服雜種不育的方法

研究雜種不育分子機(jī)制的一個重要目標(biāo)是克服雜種不育。目前，克服水稻雜種不育的方法主要有三大類。第一類是由日本科學(xué)家Kitamura[51]提出的中性型雜種不育位點(diǎn)的廣親和系策略。即通過廣泛的雜交和測交，在自然群體中尋找與秈粳稻雜交均能產(chǎn)生可育雜種的中性廣親和系[51]。但由于有些種間(比如亞非稻之間)的親緣關(guān)系比較遠(yuǎn)，很難在自然群體中尋找到這種種質(zhì)資源。第二類是由我國遺傳育種家盧永根院士提出的雜種不育位點(diǎn)特異親和系方法。張桂權(quán)等[52]在此理論基礎(chǔ)上提出了“粳型親秈系”育種策略。粳型親秈系培育就是將秈粳雜種不育的秈型等位基因通過雜交和回交的方法導(dǎo)入到粳稻中，人為創(chuàng)建可以與秈稻親和的水稻新種質(zhì)[53,54]。在粳型親秈系中，雜種不育育性基因與秈稻相同或者相近，除此以外的基因組為粳稻背景，保證粳型親秈系與秈稻有較大的遺傳差異而利用亞種間的雜種優(yōu)勢。另外，水稻育種過程中往往產(chǎn)生一些秈稻中有粳稻血緣和粳稻中有秈稻血緣的“搭橋品種”。通過在這兩類“搭橋品種”間大量配組測試，也可能發(fā)現(xiàn)一些育性較高(由于各雜種不育座位是同型的)，并且雜種優(yōu)勢較強(qiáng)的雜交組合如甬粳2號A[55]。以上方法耗時、耗力，而且不同雜交組合受到的雜種不育位點(diǎn)有所不同，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況。第三種方法是利用最新發(fā)展的基因編輯技術(shù)來創(chuàng)建人工親和系。例如，分別敲除和座位的雜種不育相關(guān)基因能夠快速創(chuàng)建和親和系；敲減基因的拷貝數(shù)也能創(chuàng)建親和系[43,45,56]。隨著越來越多的水稻雜種不育座位相關(guān)基因被克隆，利用基因編輯技術(shù)快速創(chuàng)建人工親和系將成為克服遠(yuǎn)緣雜種不育障礙的主要手段。

4 雜交水稻育性控制未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向

4.1 “三系”的局限性與破解方案

由于CMS-WA的穩(wěn)定性和適用性，我國三系雜交秈稻的不育系大部分?jǐn)y帶CMS-WA細(xì)胞質(zhì)。長期單一的遺傳背景存在一些較大的風(fēng)險，容易引發(fā)糧食安全危機(jī)。一方面，挖掘更多可用的細(xì)胞質(zhì)雄性不育資源能夠提高多樣性，但這種育種方法通常需要長時間積累；另一方面，利用先進(jìn)的生物技術(shù)手段，快速創(chuàng)建新型不育系和雜交制種體系，對豐富雜交水稻遺傳背景多樣性有著重要的意義，是未來雜交水稻的重要的發(fā)展方向。例如，利用豐富的孢子體不育突變體種質(zhì)資源，創(chuàng)建誘導(dǎo)型或智能型不育系[57]，可以達(dá)到自由配組的目的。智能型不育系的核心是以轉(zhuǎn)基因技術(shù)為依托，生產(chǎn)不攜帶轉(zhuǎn)基因的不育系(圖2)。鄧興旺教授團(tuán)隊利用一個無粉型核不育突變體作為受體，轉(zhuǎn)入一個轉(zhuǎn)基因元件含有互補(bǔ)基因、玉米α-amylase配子致死基因、紅色熒光素酶基因。其中互補(bǔ)基因用于回補(bǔ)的花藥不育表型，α-amylase配子致死基因用于殺死攜帶轉(zhuǎn)基因的雄配子，紅色熒光素酶基因用于篩選不攜帶轉(zhuǎn)基因的不育系和攜帶轉(zhuǎn)基因半合體的保持系(圖2A)。這種技術(shù)能夠地利用廣泛的核不育突變體的種質(zhì)，創(chuàng)建廣泛的三系雜交稻[57]。

此外，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的農(nóng)村勞動力逐漸變?nèi)?，制種的人工成本逐漸變高，因此機(jī)械化制種對降低成本有著重要的作用。通過現(xiàn)代生物技術(shù)，創(chuàng)制智能型雌性不育系(可作為雄性不育系的恢復(fù)系) (圖2B)，改變傳統(tǒng)雜交育種模式可以實現(xiàn)安全和機(jī)械化制種。智能型雌性不育系的應(yīng)用原理與智能型雄性不育系的應(yīng)用原理類似(圖2B)。制種過程中，利用雌性不育系和雄性不育系進(jìn)行制種，由于它們自身均不能自交結(jié)實，因此可以采取隨機(jī)箱式種植，能收獲到的種子即為可用的雜交種[58]，從而減少了傳統(tǒng)制種工序和勞動力投入，降低了制種成本。另一方面，挖掘利用新型核不育類型也可以改變當(dāng)前雜交育種遺傳材料同質(zhì)化現(xiàn)象，降低遺傳脆性的風(fēng)險。

4.2 兩系育種存在的風(fēng)險和解決措施

受到厄爾尼諾現(xiàn)象影響，近年極端天氣頻繁，容易影響溫敏二系雜交稻制種的安全性。一方面挖掘更多的光溫相關(guān)的不育系種質(zhì)資源，有利于提供適合在不同環(huán)境下的制種或繁種的品系。比如，發(fā)掘反溫敏不育系(高溫可育，低溫不育)，可以提高其制種的安全性。另外，利用基因編輯技術(shù)將一些優(yōu)良品種中光溫敏基因進(jìn)行定點(diǎn)編輯，能夠快速育成耐受不同環(huán)境的多品系不育系[59,60]。

4.3 一系法的曙光—創(chuàng)造孤雌生殖系

袁隆平院士曾提出水稻育種方法需要從繁到簡，不斷提高效率，最終要利用“一系法”將遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢固定下來(圖1)。一系法是指培育遺傳不分離的F1雜交種，其關(guān)鍵的核心技術(shù)就是有效地創(chuàng)建不發(fā)生減數(shù)分裂的孤雌生殖系。孤雌生殖系，又叫無融合生殖系統(tǒng)，是指不發(fā)生雌雄配子核融合而產(chǎn)生種子的無性繁殖手段。在雜交種無融合生殖中，大孢子母細(xì)胞不經(jīng)過減數(shù)分裂和受精過程產(chǎn)生有活力的后代種子胚，因此不發(fā)生性狀分離，能實現(xiàn)雜種優(yōu)勢的固定。最近，國內(nèi)外研究者在無融合生殖的基礎(chǔ)理論及實際應(yīng)用領(lǐng)域取得了重要突破。當(dāng)前一系法固定雜種優(yōu)勢的技術(shù)核心是通過現(xiàn)代生物技術(shù)讓植株的配子染色體不發(fā)生減數(shù)分裂而，然后再產(chǎn)生誘導(dǎo)發(fā)生孤雌生殖。目前具體的做法有兩種：策略一是利用基因編輯技術(shù)定點(diǎn)敲除與減數(shù)分裂相關(guān)的基因如、和，能將減數(shù)分裂轉(zhuǎn)變成類似有絲分裂的過程，產(chǎn)生雌性和雄性二倍體配子[61]。同時，在卵細(xì)胞中異位表達(dá)()基因誘導(dǎo)卵細(xì)胞直接發(fā)育成胚，這樣就可以繞過受精過程產(chǎn)生孤雌生殖，從而完成無融合生殖過程(圖1)[62]；策略二是利用()基因的突變能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體種子的特性[63~65]。因此，同時敲除、、和4個基因，也能獲得與雜種親本完全一致的無融合生殖種子(圖1)[66]。這些方法策略雖然讓育種家看到了雜種優(yōu)勢固定的曙光，但其育性(結(jié)實率)仍很低，且產(chǎn)生的種子胚大部分為四倍體。因此，要實現(xiàn)雜種優(yōu)勢利用的一系法實際應(yīng)用還存在很大的挑戰(zhàn)。

圖2 智能型核雄/雌性不育系的育性調(diào)控和制種原理

A：智能型雄性不育系繁種及雜交育種原理；B：智能型雌性不育系繁種及雜交育種原理。它們的核心都是利用核雄性不育突變體()或核雌性不育突變體()作為受體，轉(zhuǎn)入一個含有雄性或雌性功能型基因或、特異雄配子致死基因(,)和紅色熒光素酶基因()的轉(zhuǎn)基因元件(t或t)，形成轉(zhuǎn)基因保持系(/t—或/--t—)。在其分離后代中，或可以回補(bǔ)孢子體核不育表型，能殺死含有轉(zhuǎn)基因元件的雄配子，能作為選擇標(biāo)記篩選出帶轉(zhuǎn)基因的保持系用于智能不育系的繁種。不帶轉(zhuǎn)基因的雄性不育系或雌性不育恢復(fù)系則用于雜交制種。虛線指示的基因型個體是致死的，理論上不出現(xiàn)。

4.4 (亞)種間優(yōu)勢利用的前景

當(dāng)前，我國雜交水稻育種正在從品種間雜種優(yōu)勢利用逐漸邁向亞種間的雜種優(yōu)勢利用。經(jīng)過長期的努力，我國育種家們已經(jīng)培育了一些秈粳亞種間的雜交品種“甬優(yōu)系列”和“春優(yōu)系列”等[67,68]。這些亞種間雜交品種在生產(chǎn)上體現(xiàn)了比品種間雜種更強(qiáng)的產(chǎn)量優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。受限于秈粳亞種間雜種不育，這些品種多數(shù)是利用粳型不育系與秈粳廣親和型恢復(fù)系進(jìn)行配置，還沒有最大限度地利用秈粳稻之間的豐富遺傳多樣性。另外一方面，亞非稻種間比秈粳稻亞種間存在著更大的遺傳差異，同時也蘊(yùn)藏著更大的雜種優(yōu)勢，然而，其種間的生殖隔離也更加復(fù)雜多樣的。在亞非稻之間存在很多的雜種不育位點(diǎn)，目前至少發(fā)現(xiàn)了10個種間雜種不育相關(guān)位點(diǎn)[69]。相較于秈粳稻亞種間雜種不育，亞非稻雜種不育的基因克隆和分子機(jī)制研究相對滯后，目前僅克隆和闡明了座位雜種不育相關(guān)基因及相關(guān)的分子機(jī)制[38,44,45]。因此，最大程度克隆秈粳亞種間和亞非稻種間雜種不育的基因并闡明相關(guān)分子機(jī)制，并結(jié)合基因編輯等技術(shù)手段快速創(chuàng)建人工親和系，以及解決(亞)種間雜交的開花習(xí)性差異、生育期超親遺傳(往往生育期偏長)等問題，以推動遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢利用。

[1] Cheng SH. Innovation and development of techniques for super-rice breeding in China., 2012, (6): 1–3.程式華. 中國超級稻育種技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展. 作物雜志, 2012, (6): 1–3.

[2] 謝振文, 黃桂章.廣東省早秈品種演變發(fā)展和系譜分析. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 1989, (3): 4–9.

[3] Li CQ. The progresses on three-line and two-line hybrid rice breeding., 1998, (3): 3–6.李成荃. 三系和兩系雜交水稻育種進(jìn)展. 作物雜志, 1998, (3): 3–6.

[4] Wu B, Hu W, Xing YZ. The history and prospect of rice genetic breeding in China., 2018, 40 (10): 841–857.吳比，胡偉，邢永忠.中國水稻遺傳育種歷程與展望. 遺傳, 2018, 40(10): 841–857.

[5] 袁隆平. 超級雜交水稻育種研究新進(jìn)展. 中國農(nóng)村科技, 2010, (2): 22–25.

[6] Birchler JA, Yao H, Chudalayandi S, Vaiman D, Veitia RA. Heterosis., 2010, 22(7): 2105–2112.

[7] Yuan LP. The cytoplasmic male sterility in rice., 1966, 17(4): 185–188.袁隆平. 水稻的雄性不孕性. 科學(xué)通報, 1966, 17(4): 185–188.

[8] Chen L, Liu YG. Male sterility and fertility restoration in crops., 2014, 65: 579–606.

[9] Chen L, Liu YG. Discovery, utilization and molecular mechanisms of CMS-WA in rice., 2016, 61(35): 3804–3812.陳樂天, 劉耀光. 水稻野敗型細(xì)胞質(zhì)雄性不育的發(fā)現(xiàn)利用與分子機(jī)理. 科學(xué)通報, 2016, 61(35): 3804–3812.

[10] Li N, Zhang DS, Liu HS, Yin CS, Li XX, Liang WQ, Yuan Z, Xu B, Chu HW, Wang J, Wen TQ, Huang H, Luo D, Ma H, Zhang DB. The rice tapetum degeneration retardation gene is required for tapetum degradation and anther development., 2006, 18(11): 2999–3014.

[11] Balk J, Leaver CJ. The PET1-CMS mitochondrial mutation in sunflower is associated with premature programmed cell death and cytochrome c release., 2001, 13(8): 1803–1818.

[12] Luo D, Xu H, Liu Z, Guo J, Li H, Chen L, Fang C, Zhang Q, Bai M, Yao N, Wu H, Wu H, Ji C, Zheng H, Chen Y, Ye S, Li X, Zhao X, Li R, Liu YG. A detrimental mitochondrial-nuclear interaction causes cytoplasmic male sterility in rice., 2013, 45(5): 573–577.

[13] Notsu Y, Masood S, Nishikawa T, Kubo N, Akiduki G, Nakazono M, Hirai A, Kadowaki K. The complete sequence of the rice (L.) mitochondrial genome: frequent DNA sequence acquisition and loss during the evolution of flowering plants., 2002, 268(4): 434–445.

[14] Liu ZL, Xu H, Guo JX, Liu YG. Structural and expressional variations of the mitochondrial genome conferring the wild abortive type of cytoplasmic male sterility in rice., 2010, 49(6): 908–914.

[15] Dewey RE, Siedow JN, Timothy DH, Levings CS 3rd. A 13-kilodalton maize mitochondrial protein inconfers sensitivity totoxin., 1988, 239(4837): 293–295.

[16] Wang Z, Zou Y, Li X, Zhang Q, Chen L, Wu H, Su D, Chen Y, Guo J, Luo D, Long Y, Zhong Y, Liu YG. Cytoplasmic male sterility of rice with boro II cytoplasm is caused by a cytotoxic peptide and is restored by two related PPR motif genes via distinct modes of mRNA silencing., 2006, 18(3): 676–687.

[17] Shinjyo C. Cytoplasmic genetic male sterility in cultivated rice,L. II. The inheritance of male sterility., 1969, 44 (3): 149–156.

[18] Sabar M, Gagliardi D, Balk J, Leaver CJ. ORFB is a subunit of F1F(O)-ATP synthase: insight into the basis of cytoplasmic male sterility in sunflower., 2003, 4 (4): 381–386.

[19] Wang K, Gao F, Ji Y, Liu Y, Dan Z, Yang P, Zhu Y, Li S. ORFH79 impairs mitochondrial function via interaction with a subunit of electron transport chain complex III in Honglian cytoplasmic male sterile rice., 2013, 198 (2): 408–418.

[20] Yi P, Wang L, Sun QP, Zhu YG. Identification of mitochondrially chimeric gene associated with Honglian type of cytoplasmic male sterility of rice., 2002(2): 130–133.易平, 汪莉, 孫清萍, 朱英國. 紅蓮型細(xì)胞質(zhì)雄性不育線粒體相關(guān)嵌合基因的發(fā)現(xiàn). 科學(xué)通報, 2002(2): 130– 133.

[21] Peng X, Wang K, Hu C, Zhu Y, Wang T, Yang J, Tong J, Li S, Zhu Y. The mitochondrial geneplays a critical role in impairing both male gametophyte development and root growth in CMS-Honglian rice., 2010, 10: 125.

[22] Tang H, Luo D, Zhou D, Zhang Q, Tian D, Zheng X, Chen L, Liu YG. The rice restorerfor Wild-Abortive cytoplasmic male sterility encodes a mitochondrial-localized PPR protein that functions in reduction oftranscripts., 2014, 7(9): 1497–1500.

[23] Hu J, Wang K, Huang W, Liu G, Gao Y, Wang J, Huang Q, Ji Y, Qin X, Wan L, Zhu R, Li S, Yang D, Zhu Y. The rice pentatricopeptide repeat protein RF5 restores fertility in Hong-Lian cytoplasmic male-sterile lines via a complex with the glycine-rich protein GRP162., 2012, 24(1): 109–122.

[24] Huang W, Yu C, Hu J, Wang L, Dan Z, Zhou W, He C, Zeng Y, Yao G, Qi J, Zhang Z, Zhu R, Chen X, Zhu Y. Pentatricopeptide-repeat family protein RF6 functions with hexokinase 6 to rescue rice cytoplasmic male sterility., 2015, 112(48): 14984–14989.

[25] Shi MS. The discovery and preliminary studies of the photoperiod-sensitive recessive male sterile rice (L. subsp.)., 1985, 18(2): 44–48.石明松. 對光照長度敏感的隱性雄性不育水稻的發(fā)現(xiàn)與初步研究. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 1985, 18(2): 44–48.

[26] Deng HF, Shu FB, Yuan DY. An overview of research and utilization of Annong S-1., 1999, (3): 3–5.鄧華鳳, 舒福北, 袁定陽. 安農(nóng)S-1的研究及其利用概況. 雜交水稻, 1999, (3): 3–5.

[27] Mei M, Dai X, Xu C, Zhang Q. Mapping and genetic analysis of the genes for photoperiod-sensitive genic male sterility in rice using the original mutant Nongken 58S., 1999, 39(6): 1711–1715.

[28] Ding J, Lu Q, Ouyang Y, Mao H, Zhang P, Yao J, Xu C, Li X, Xiao J, Zhang Q. A long noncoding RNA regulates photoperiod-sensitive male sterility, an essential component of hybrid rice., 2012, 109(7): 2654–2659.

[29] Zhou H, Liu Q, Li J, Jiang D, Zhou L, Wu P, Lu S, Li F, Zhu L, Liu Z, Chen L, Liu YG, Zhuang C. Photoperiod- and thermo-sensitive genic male sterility in rice are caused by a point mutation in a novel noncoding RNA that produces a small RNA., 2012, 22(4): 649–660.

[30] Fan Y, Yang J, Mathioni SM, Yu J, Shen J, Yang X, Wang L, Zhang Q, Cai Z, Xu C, Li X, Xiao J, Meyers BC, Zhang Q., producing phased small-interfering RNAs, regulates photoperiod-sensitive male sterility in rice., 2016, 113(52): 15144–15149.

[31] Zhou H, Zhou M, Yang Y, Li J, Zhu L, Jiang D, Dong J, Liu Q, Gu L, Zhou L, Feng M, Qin P, Hu X, Song C, Shi J, Song X, Ni E, Wu X, Deng Q, Liu Z, Chen M, Liu YG, Cao X, Zhuang C. RNase ZS1processesUbmRNAs and controls thermosensitive genic male sterility in rice., 2014, 5: 4884.

[32] Zhang H, Xu C, He Y, Zong J, Yang X, Si H, Sun Z, Hu J, Liang W, Zhang D. Mutation increates a new photoperiod-sensitive genic male sterile line applicable for hybrid rice seed production., 2013, 110(1): 76–81.

[33] Yu J, Han J, Kim YJ, Song M, Yang Z, He Y, Fu R, Luo Z, Hu J, Liang W, Zhang D. Two rice receptor-like kinases maintain male fertility under changing temperatures., 2017, 114(46): 12327–12332.

[34] Ouyang Y, Zhang Q. Understanding reproductive isolation based on the rice model., 2013, 64: 111–135.

[35] Ouyang YD. Progress of-hybrid sterility and wide-compatibility in rice., 2016, 61(35): 3833–3841.歐陽亦聃. 水稻秈粳雜種不育與廣親和. 科學(xué)通報, 2016, 61(35): 3833–3841.

[36] Chen J, Ding J, Ouyang Y, Du H, Yang J, Cheng K, Zhao J, Qiu S, Zhang X, Yao J, Liu K, Wang L, Xu C, Li X, Xue Y, Xia M, Ji Q, Lu J, Xu M, Zhang Q. A triallelic system ofis a major regulator of the reproductive barrier and compatibility of-hybrids in rice., 2008, 105(32): 11436–11441.

[37] Hou J, Cao C, Ruan Y, Deng Y, Liu Y, Zhang K, Tan L, Zhu Z, Cai H, Liu F, Sun H, Gu P, Sun C, Fu Y.is involved in embryo sac abortion in interspecific hybrid progeny of rice., 2019, 180(1): 356–366.

[38] Koide Y, Ogino A, Yoshikawa T, Kitashima Y, Saito N, Kanaoka Y, Onishi K, Yoshitake Y, Tsukiyama T, Saito H, Teraishi M, Yamagata Y, Uemura A, Takagi H, Hayashi Y, Abe T, Fukuta Y, Okumoto Y, Kanazawa A. Lineage- specific gene acquisition or loss is involved in interspecific hybrid sterility in rice., 2018, 115(9): E1955–E1962.

[39] Kubo T, Takashi T, Ashikari M, Yoshimura A, Kurata N. Two tightly linked genes at thelocus cause both F1and F2hybrid sterility in rice., 2016, 9(2): 221–232.

[40] Long Y, Zhao L, Niu B, Su J, Wu H, Chen Y, Zhang Q, Guo J, Zhuang C, Mei M, Xia J, Wang L, Wu H, Liu YG. Hybrid male sterility in rice controlled by interaction between divergent alleles of two adjacent genes., 2008, 105(48): 18871–18876.

[41] Mizuta Y, Harushima Y, Kurata N. Rice pollen hybrid incompatibility caused by reciprocal gene loss of duplicated genes., 2010, 107(47): 20417– 20422.

[42] Nguyen GN, Yamagata Y, Shigematsu Y, Watanabe M, Miyazaki Y, Doi K, Tashiro K, Kuhara S, Kanamori H, Wu J, Matsumoto T, Yasui H, Yoshimura A. Duplication and loss of function of genes encoding RNA polymerase III subunit C4 causes hybrid incompatibility in rice., 2017, 7(8): 2565–2575.

[43] Shen R, Wang L, Liu X, Wu J, Jin W, Zhao X, Xie X, Zhu Q, Tang H, Li Q, Chen L, Liu YG. Genomic structural variation-mediated allelic suppression causes hybrid male sterility in rice., 2017, 8(1): 1310.

[44] Xie Y, Tang J, Xie X, Li X, Huang J, Fei Y, Han J, Chen S, Tang H, Zhao X, Tao D, Xu P, Liu YG, Chen L. An asymmetric allelic interaction drives allele transmission bias in interspecific rice hybrids., 2019, 10(1): 2501.

[45] Xie Y, Xu P, Huang J, Ma S, Xie X, Tao D, Chen L, Liu YG. Interspecific hybrid sterility in rice is mediated byat thelocus encoding a peptidase-like protein., 2017, 10(8): 1137–1140.

[46] Yamagata Y, Yamamoto E, Aya K, Win KT, Doi K, Sobrizal, Ito T, Kanamori H, Wu J, Matsumoto T, Matsuoka M, Ashikari M, Yoshimura A. Mitochondrial gene in the nuclear genome induces reproductive barrier in rice., 2010, 107(4): 1494–1499.

[47] Yang J, Zhao X, Cheng K, Du H, Ouyang Y, Chen J, Qiu S, Huang J, Jiang Y, Jiang L, Ding J, Wang J, Xu C, Li X, Zhang Q. A killer-protector system regulates both hybrid sterility and segregation distortion in rice., 2012, 337(6100): 1336–1340.

[48] Yu X, Zhao Z, Zheng X, Zhou J, Kong W, Wang P, Bai W, Zheng H, Zhang H, Li J, Liu J, Wang Q, Zhang L, Liu K, Yu Y, Guo X, Wang J, Lin Q, Wu F, Ren Y, Zhu S, Zhang X, Cheng Z, Lei C, Liu S, Liu X, Tian Y, Jiang L, Ge S, Wu C, Tao D, Wang H, Wan J. A selfish genetic element confers non-Mendelian inheritance in rice., 2018, 360(6393): 1130–1132.

[49] Yu Y, Zhao Z, Shi Y, Tian H, Liu L, Bian X, Xu Y, Zheng X, Gan L, Shen Y, Wang C, Yu X, Wang C, Zhang X, Guo X, Wang J, Ikehashi H, Jiang L, Wan J. Hybrid sterility in rice (L.) involves the tetratricopeptide repeat domain containing protein., 2016, 203(3): 1439– 1451.

[50] Xie Y, Shen R, Chen L, Liu YG. Molecular mechanisms of hybrid sterility in rice., 2019 62(6), 737–743.

[51] Kitamura E. Genetics studies on sterility observed in hybrids between distantly related varieties of rice (L.)., 1962, 8: 141–205.

[52] Zhang GQ, Lu YG. Development of the-compatibiliticlines for the breeding of super-rice., 2007, 38(5): 676–680.張桂權(quán), 盧永根. 水稻粳型親秈系的創(chuàng)建及其在超級稻育種上的利用. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 38(5): 676– 680.

[53] Chen L, Zhao Z, Liu X, Liu L, Jiang L, Liu S, Zhang W, Wang Y, Liu Y, Wan J. Marker-assisted breeding of a photoperiod-sensitive male sterilerice with high cross-compatibility withrice., 2011, 27(2): 247–258.

[54] Guo J, Xu X, Li W, Zhu W, Zhu H, Liu Z, Luan X, Dai Z, Liu G, Zhang Z, Zeng R, Tang G, Fu X, Wang S, Zhang G. Overcoming inter-subspecific hybrid sterility in rice by developing-compatiblelines., 2016, 6: 26878.

[55] Ma RR, Wang XY, Lu YF, Zhou HC, Cai KF, Li XN, Zhang ZY. Breeding and application of lateCMS line Yongjing 2A and its late-hybrid rice combinations., 2010, 25 (S1): 185–189.馬榮榮, 王曉燕, 陸永法, 周華成, 蔡克鋒, 李信年, 章志遠(yuǎn). 晚粳不育系甬粳2號A及其秈粳雜交晚稻組合的選育及應(yīng)用. 雜交水稻, 2010, 25(S1): 185–189.

[56] Xie Y, Niu B, Long Y, Li G, Tang J, Zhang Y, Ren D, Liu YG, Chen L. Suppression or knockout of/overcomes the-mediated hybrid male sterility in rice., 2017, 59(9): 669–679.

[57] Chang Z, Chen Z, Wang N, Xie G, Lu J, Yan W, Zhou J, Tang X, Deng XW. Construction of a male sterility system for hybrid rice breeding and seed production using a nuclear male sterility gene., 2016, 113(49): 14145–14150.

[58] Xia Y, Tang N, Hu Y, Li D, Li S, Bu X, Yu M, Qi S, Yang Y, Zhu H, Cao C, Li P, Yuan L, Cao M. A method for mechanized hybrid rice seed production using female sterile rice., 2019, 12(1): 39.

[59] Li Q, Zhang D, Chen M, Liang W, Wei J, Qi Y, Yuan Z. Development ofphoto-sensitive genic male sterile rice lines by editingusing CRISPR/Cas9., 2016, 43(6): 415–419.

[60] Zhou H, He M, Li J, Chen L, Huang Z, Zheng S, Zhu L, Ni E, Jiang D, Zhao B, Zhuang C. Development of commercial thermo-sensitive genic male sterile rice accelerates hybrid rice breeding using the CRISPR/Cas9-mediatedediting system., 2016, 6: 37395.

[61] Mieulet D, Jolivet S, Rivard M, Cromer L, Vernet A, Mayonove P, Pereira L, Droc G, Courtois B, Guiderdoni E, Mercier R. Turning rice meiosis into mitosis., 2016, 26(11): 1242–1254.

[62] Khanday I, Skinner D, Yang B, Mercier R, Sundaresan V. A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds., 2019, 565(7737): 91–95.

[63] Kelliher T, Starr D, Richbourg L, Chintamanani S, Delzer B, Nuccio ML, Green J, Chen Z, McCuiston J, Wang W, Liebler T, Bullock P, Martin B. MATRILINEAL, a sperm-specific phospholipase, triggers maize haploid induction., 2017, 542(7639): 105–109.

[64] Liu C, Li X, Meng D, Zhong Y, Chen C, Xu X, Chen B, Li W, Li L, Tian X, Zhao H, Song W, Luo H, Zhang Q, Lai J, Jin W, Yan J, Chen S. A 4-bp insertion atencoding a putative phospholipase a generates haploid induction in maize., 2017, 10(3): 520–522.

[65] Yao L, Zhang Y, Liu C, Liu Y, Wang Y, Liang D, Liu J, Sahoo G, Kelliher T.mutation induces haploid seed formation inrice., 2018, 4(8): 530– 533.

[66] Wang C, Liu Q, Shen Y, Hua Y, Wang J, Lin J, Wu M, Sun T, Cheng Z, Mercier R, Wang K. Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes., 2019, 37(3): 283– 286.

[67] Lin JR, Wu MG, Song XW, Ruan GH. Chunyou 658, a new inter-subspecific hybrid rice combination with high yield., 2009, 24(5): 84–85.林建榮, 吳明國, 宋昕蔚, 阮關(guān)海. 秈粳亞種間高產(chǎn)雜交水稻新組合春優(yōu)658. 雜交水稻, 2009, 24(5): 84–85.

[68] Wei HH, Jiang YH, Zhao K, Xu JW, Zhang HC, Dai QG, Huo ZY, Xu K, Wei HY, Zheng F. Characteristics of super-high yield population in Yongyou series of hybrid rice., 2013, 39(12): 2201–2210.韋還和, 姜元華, 趙可, 許俊偉, 張洪程, 戴其根, 霍中洋, 許軻, 魏海燕, 鄭飛. 甬優(yōu)系列雜交稻品種的超高產(chǎn)群體特征. 作物學(xué)報, 2013, 39(12): 2201–2210.

[69] Garavito A, Guyot R, Lozano J, Gavory F, Samain S, Panaud O, Tohme J, Ghesquière A, Lorieux M. A genetic model for the female sterility barrier between asian and african cultivated rice species., 2010, 185(4): 1425–1440.

Current advance on molecular genetic regulation of rice fertility

Yongyao Xie1, Jintao Tang1, Bowen Yang1, Jun Hu2, Yao-Guang Liu1, Letian Chen1

Hybrid rice has contributed greatly to global food security. Cytoplasmic male sterility (CMS) and photo/ thermo sensitive genic male sterility (P/TGMS) are genetic bases for three-line and two-line hybrid rice production, respectively. In contrast, (sub-) specific hybrid sterility (HS) is a major barrier for utilization of hybrid vigor of distant hybrid rice. Therefore, understanding the molecular regulatory mechanism of rice fertility is a key technical issue for hybrid rice industry, and a long-standing basic scientific issue for nuclear-cytoplasmic interaction and reproductive isolation. Chinese geneticists of plant sciences have made tremendous contributions on the molecular genetic basis of rice fertility related to hybrid rice production. Here, we review the development of hybrid rice production systems in China and summarize current advance on genetic basis and molecular mechanism of CMS, P/TGMS, and HS involved in hybrid rice. We also discuss problems of hybrid rice production in China and point out new direction for future utilization of heterosis in rice.

hybrid rice; cytoplasmic male sterility; hybrid sterility; photo/thermo sensitive genic male sterility; fertility restoration

2019-06-05;

2019-06-18

國家自然科學(xué)基金項目(編號：31701499)，廣州市科技創(chuàng)新委員會重點(diǎn)項目(編號：201707020016)，中國博士后科學(xué)基金項目(編號：2018M630955)和亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實驗室開放課題(編號：SKLCUSA-b201717)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31701499), the Key Research Program of Guangzhou Science Technology and Innovation Commission (No.201707020016), the China Postdoctoral Science Foundation (No. 2018M630955) and the State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources (No. SKLCUSA-b201717)]

謝勇堯，博士，博士后，研究方向：作物育性分子機(jī)制與雜種優(yōu)勢利用。E-mail: xieyongyao2005@163.com

陳樂天，博士，教授，研究方向：作物育性分子機(jī)制與雜種優(yōu)勢利用。E-mail: lotichen@scau.edu.cn

10.16288/j.yczz.19-162

2019/7/18 15:09:15

URI: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20190718.1415.002.html

(責(zé)任編委: 邢永忠)