优良多倍体水稻资源的创建与现有多倍体材料改良的方法及途径

隗志松　舒园园

摘要 阐述了优良多倍体水稻资源的创建与现有多倍体材料改良的方法与途径，主要包括对核心基础材料HN2026和sg99012的优化改良、在二倍体层面的改良方法——创建优良多倍体水稻资源、基于四倍体层面的改良方法——定向改良、创建稳定优质的六倍体水稻资源等方面的内容，以期为水稻育種工作的开展提供参考。

关键词 水稻；多倍体；资源创建；改良途径

中图分类号 S511.032 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）13-0025-02

纵观水稻育种的发展历程，其经历了野生到栽培、高秆到矮秆、常规到杂交、三系到两系、籼粳亚种间杂种优势的利用（如甬优系列的三系籼粳交组合），其研究战略都是建立在二倍体基础上的。归根到底，都是利用栽培稻同一基因组（A基因组）内优良基因的重组及从野生稻向栽培稻引入少数优良基因，很难达到增产50%的目标。因此，蔡得田等提出利用远缘杂交和多倍体双重优势选育超级稻的育种新思路。蔡得田团队经过10余年的不懈努力，率先解决了困扰多倍体水稻研究的结实率问题，并成功选育出2个具有减数分裂稳定性（PMeS）基因的材料HN2026和sg99012，笔者也有幸加入到了蔡得田教授的多倍体研发团队。但目前创建的多倍体水稻材料唯一的不足就是抗性比较差，这样就导致了距离生产应用还有一定的距离。因此，笔者基于育种经验，并结合现代生物育种技术提出“优良多倍体水稻资源的创建与现有多倍体材料改良的方法与途径”。

1 对核心基础材料HN2026和sg99012的优化改良

根据田间观察，HN2026和sg99012属于粳型或偏粳型材料，以此为基础材料与籼型水稻育种材料杂交可以有效利用亚种间的杂种优势，这就符合了蔡得田等提出的利用远缘杂交和多倍体双重优势选育超级稻的育种思路。但是HN2026和sg99012本身存在抗性差、易早衰、品质差等缺陷，其杂交后代也都较多地遗传了这些缺点。因此，对HN2026和sg99012进行抗性及品质改良是创建优质多倍体水稻育种材料的必备工作。可以选定优质高抗的同种粳型材料为父本，分别以HN2026和sg99012为母本进行杂交和回交，并结合分子标记对HN2026和sg99012进行改良。对这2个核心材料的改良，有利于从源头上解决和把控以此为基础材料所创建的多倍体育种资源的抗性和品质问题。

2 基于二倍体层面的改良方法——创建优良多倍体水稻资源

首先确定2个优良的亲本材料，如一个优质材料A，一个高抗材料B；再选用一个含PMeS基因的高结实材料P。先以A为母本，以高结实材料P为父本杂交得到F1（用A/P表示），此时F1中已导入PMeS基因。接着再用F1作母本与B杂交（A/P//B表示）得到F10，最后在田间种植F10，当F10生长发育到抽穗扬花时取其花粉进行花粉培养。

在对花粉培养产生愈伤组织时进行染色体组诱导加倍，使其被诱导加倍成二倍体愈伤组织；待二倍体愈伤组织稍作缓解后再对其进行染色体组加倍诱导，使其被诱导加倍成四倍体愈伤组织；接着将四倍体愈伤组织分割到分化培养基上进行分化培养。待其分化出苗后，经过2～3 d的炼苗处理再将试管苗移栽到自然环境中。接下来就是对试管苗进行选择、加代，最后选育出优质、高抗的多倍体水稻资源[1]。这种创建多倍体水稻资源的方法有其优点，也有其缺点。其第1个优点是可以快速地选育出稳定的多倍体水稻资源，第2个优点是可以增加优良基因之间的交流、互换，以增加遗传多样性；其缺点是实验室染色体组诱导加倍工作繁重。因为对染色体组诱导加倍的诱导频率是有限的，在对单倍体花粉的愈伤组织进行染色体组诱导加倍的过程中不能保证单倍体花粉的愈伤组织一定被诱导加倍成了二倍体的愈伤组织；同样，即使单倍体花粉的愈伤组织被诱导加倍成了二倍体的愈伤组织，也不能保证它能被成功地诱导成为四倍体的愈伤组织[2]。因此，必须在实验室进行大量的花粉培养，使其产生较多的愈伤组织，这样就可以提高诱导成功率。

3 基于四倍体层面的改良方法——定向改良

首先，要选定具有正常结实特性（含PMeS基因）的四倍体水稻材料作为目标亲本，用A4x，选定其作母本；再确定含有目标性状的二倍体水稻亲本材料（如高抗、优质的材料），用B2x表示，选定其作父本；然后，要把B2x诱导加倍成B4x。

值得注意的是，诱导产生的B4x是同源四倍体，一般只有20%～40%的结实率。其根本原因就是同源四倍体在产生雌雄配子时减数分裂异常所致。也就是说同源四倍体在减数分裂时，同源染色体在配对时易产生多价体，使同源染色体不能平均分配到子细胞中。这样，经减数分裂所产生的不正常雌雄配子中所含的染色体数大多是不相同，这就导致了在受精时不能产生正常的合子而导致不育，也就是不能自交结实而形成种子。尽管如此，也还是会产生少数正常的雌雄配子。

上面已经提到，可以通过先进的人工诱导加倍技术将B2X诱导加倍成B4x，此时就可以用回交的方法对目标亲本A4x进行改良了，用A4x/B4x表示。用B4x为轮回亲本对目标亲本进行3次连续回交，待回交到B4xC3代时停止回交，这时B4x的优良基因已基本导入到目标亲本中了。值得注意的是，在每一代回交时必须选择表现型类似于或倾向于A4x的后代进行回交，这样才能达到定向改良的目的[3]。

用此种方法对目标亲本进行改良，其优点是不言而喻的，就是可以有目的地将优良基因供体的优良基因更大限度地导入到目标亲本中以达到定向改良的目的。但是这种方法的难度就在于要尽量地扩大回交群体，其工作量相对于二倍体改良而言也就要大得多。因为在二倍体层面用回交改良的方法时其轮回亲本的花粉都是正常可育的，而B4x经减数分裂产生的花粉多数是不正常的。因此，要想顺利达到定向改良的目的，就要尽量地扩大回交群体，以提高A4X接受B4x正常花粉的几率。

4 创建稳定、优质的六倍体水稻资源

为了直接有效地利用传统的二倍体水稻育种材料，就必须创建适当倍数的多倍体水稻资源（六倍体水稻）。众所周知，蔡得田教授解決的多倍体水稻的世界性难题——结实率问题，是在四倍体的基础上实现的。尽管如此，目前所掌握的四倍体育种材料还存在一些有待解决的问题，所以四倍体水稻还要进一步地深入研究[4]。

上文已经说到，将二倍体水稻诱导加倍成四倍体水稻是很有难度的，而且诱导频率也并不高。那么能不能通过传统的二倍体水稻的育种方法（杂交育种）就能得到理想的四倍体材料呢？方法在理论上是有的。那就是可以用目前含有高结实基因（含PMeS基因）的育种材料A（4x）作母本与二倍体材料B（2x）杂交得到F1（3x），然后再用胚挽救结合组织培养技术得到三倍体植株，最后再用染色体组诱导加倍法得到六倍体水稻育种资源。这样就可以直接用丰富的二倍体水稻资源与六倍体水稻杂交得到四倍体水稻资源。

理论上可以用这种方法创建多种类型和不同抗性的多倍体水稻育种资源，也可以用这种方法利用二倍体水稻育种材料直接对四倍体水稻育种材料进行回交改良。比如要用B（2x）作父本对A（4x）进行回交改良，用A（4x）/B（2x）表示，先得到F1（3x），然后再用胚挽救结合组织培养技术得到三倍体植株，最后再用染色体组诱导加倍法得到六倍体水稻F01（6x），再用B（2x）与F01（6x）（F01（6x）/B（2x））杂交得到C（4x），这样就能实现二倍体水稻与四倍体水稻之间直接杂交利用的目的。

5 结语

总之，二倍体水稻产量再增加已经遇到了瓶颈，多倍体水稻理论上可以增产50%。目前，多倍体水稻育种已经进入快车道，只要在抗性和品质上加以改进就可以引起水稻育种历史上的又一次革命。因此，要不断地寻找解决问题的办法来催生这一伟大的成果。

6 参考文献

[1] 左博.多倍体水稻不育系和恢复系的育性及其组配研究[D].武汉：湖北大学，2012.

[2] 刘建新，陈建国，陈冬玲，等.四倍体水稻花器和花粉性状研究[J].中国农业科学，2008（12）：3941-3951.

[3] 黄群策，代西梅.水稻同源多倍体的研究策略[J].杂交水稻，2006（2）：1-4.

[4] 罗小金，贺浩华.水稻多倍性育种研究进展[J].中国农学通报，2001（6）：53-56.