两系法杂交水稻的育种成就与展望

郑兴飞，董华林，郭英，殷得所，王红波，胡建林，查中萍，曹鹏，徐得泽∗

(1 湖北省农业科学院粮食作物研究所/粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，武汉 430064；2 湖北省农业技术推广总站，武汉 430072)

作物杂种优势利用是保障世界粮食安全和社会稳定的重要手段[1]。到2050 年，全球人口预计将超过90 亿，粮食需求将持续增加，无疑对农业和粮食供给提出了严峻考验。三系法和两系法杂交水稻是杂种优势利用的两个重要途径。三系法杂交水稻受恢保关系的制约，恢复系、保持系和不育系缺一不可，育种程序复杂，生产环节多，新组合选育周期长。两系法杂交稻可以实现一系两用，大大简化了育种流程，不受恢保关系的限制，配组更加自由，是继三系法以后农作物育种技术的又一次重大突破。

我国的两系法杂交水稻和亚种间杂种优势利用研究始于上世纪八十年代，到九十年代后期又开展了超级杂交水稻的研究。在袁隆平院士主持下，1995 年两系法杂交水稻研究成功并投入应用；到2000 年，先锋组合在大面积示范种植中达到了农业部制定的中国超级稻育种目标[2]。从农业农村部科技发展中心检索发现，2017 年至今，全国共育成两系水稻不育系403 个，占育成的不育系总量的58.83%；育成两系杂交稻国审品种数719 个，占育成杂交稻品种的57.34%。两系法杂交稻无论从不育系还是品种审定数量上，已成为水稻杂种优势利用的主要途径。

1 光温敏雄性核不育系的发现

光温敏雄性不育系是两系法杂交水稻的基础。1964 年，袁隆平从胜利籼中发现了自然突变无花粉型不育材料，属于细胞核不育，由于没有保持系，未能直接利用[3]。1972 年，安徽芜湖农科所研究人员在田间种植的珍龙13 中发现了自然不育株，并以此材料为基础定向培育出育性与温度密切相关的珍龙选不育系，并于1974 年实现两系法配套，配制出第一个两系法杂交水稻新组合[4]。但珍龙选不育系的育性不稳定，受环境影响大，未能在生产上大面积应用。

1973 年，湖北省沔阳县(现仙桃市)沙湖原种场技术员石明松在晚粳品种农垦58 中发现了育性表现与播种期相关的水稻材料，配组表现出一定的杂种优势，且迟播或割蔸再生收获的种子纯度高，由此提出了利用农垦58 大田不育株进行一系两用的构想[5]。1985 年，湖北省农业厅和湖北省科学技术委员会组织湖北省协作组开始对农垦58 不育株进行系统研究。研究结果表明，光照长度是调控其育性的主要因素，温度起辅助作用，并将该不育材料正式命名为湖北光周期敏感核不育水稻农垦58S[6，7]。

1987 年湖南省安江农校邓华凤发现一株自然温敏雄性不育系安农S-1；1988 年福建农学院杨仁崔在IR54 中发现了5460S 不育系。与农垦58S 不同，这两个不育系育性主要受温度高低的影响，日照长度起辅助作用[8，9]，因此，在其不育期可进行制种，在可育期用来自身繁殖，可实现两系配套生产杂交水稻。

2 两系不育系的发展历程

光温敏不育系是由核基因控制的雄性不育系，育性转换受光温条件的影响，既可自身繁种，又可用于制种，突破了恢保关系限制，可避免不育胞质负效应，配组更加自由，可更快选育出强优势杂交组合。因此，光温敏雄性不育系种质自发现以来就受到水稻育种家的极大关注。

自农垦58S 被发现以后，国家自然科学基金重大项目、国家“863”计划先后投入资金，组织全国优势单位参与研究。1988 年，W6154S、N5047S、3111S和WD1S 等第一批育成的两系不育系材料通过“863”专家组鉴定。1989 年，育成的17 个核不育系通过省级以上技术鉴定，包括籼型9 个、粳型8 个，其中14 个不育系的核不育基因来源于农垦58S[10]。早期选育的不育系受材料来源和研究深度的限制，在实际生产中并未被大规模推广利用[11]。1989 年长江中下游稻区夏季异常低温造成之前两系不育系育性恢复，促使育种家们开始重视两系不育系的育性转换临界温度。1992 年，袁隆平先生提出两系不育系选育的技术策略，并提出了湖南不育系不育起点温度为日平均气温23 ℃，广西为24 ℃。育性低温筛选、人工气候箱鉴定和多生态点育性观察等成为选育实用型光温敏不育系的重要技术措施[11]。

1991 年，湖南杂交水稻研究中心培育的不育临界温度低的籼型实用两系不育系培矮64S 通过技术鉴定[12]，为两系不育系组合的选育起到重要的推动作用。1992 年，湖北省农科院粮食作物研究所选育的粳型两系不育系N5088S 通过技术鉴定[13]，配选的晚粳组合鄂粳杂1 号于1995 年通过湖北省品种审定，该品种是第一个应用面积超过1000 万亩的两系法杂交稻组合，N5088S 也是应用持续时间最长的两系粳型不育系[14]。随后，一系列有影响的两系不育系如广占63S、Y58S、C815S、HD9802S 等[15-18]，以及这些不育系衍生的1892S、新安S、晶4155S、隆科638S 也陆续被选育出来[19-22]，推动了两系杂交稻快速发展。其中“水稻两用核不育系培矮64S 选育及其应用研究”获2001 年国家科技进步一等奖，标志着两系杂交稻在中国即将进入大规模应用阶段。2013 年“两系法杂交水稻技术研究与应用”获国家科技进步特等奖，充分肯定了两系法杂交稻技术的先进性和应用成效的显著性。

随着两系研究的继续深入，除了光温敏两系不育系外，近年来也有反光敏感和反温敏不育系被报道，并开始探索其在育种中的应用。例如安徽省农业科学水稻研究所的江建华等利用反温敏不育系和温敏不育系创制了永久核不育系，可以充分利用两系自由配组并避免育性的波动带来的制种风险问题[23]。高扬等利用反温敏不育系进行了寒地杂交粳稻的初步实践[24，25]。刘伟利用CRISPR/Cas9 基因敲除技术，创制了多个30.6℃以上恢复育性的反温敏不育系[26]。蔡义东和李弘韬对go543S的反温敏特征进行了系统研究，该不育系的育性由一对主效隐性基因控制，育性转换温度为29～30 ℃[27-29]。反光、温敏不育系与传统的两系不育系在临界光温条件下的育性转换方向完全相反，近年有学者在海南冬季和东北、云南正季进行了大田制种的尝试，有一定的应用价值。

目前，我国的两系杂交水稻技术居世界领先。美国上世纪80 年代购买了中国的杂交水稻专利，直到2000 年Rice Tech 公司才推出商业化的杂交水稻品种，主要在阿肯色州等南方地区种植，占水稻种植面积40%，比常规水稻增产35%以上。

3 两系不育系育性基因定位

为充分利用水稻光温敏核雄性不育(Photoperiod-or Thermos-sensitive Genic Male Sterility，P/TGMS)系，加快两系不育系分子育种进程，挖掘其育性调控关键基因、探究雄性不育分子机理尤为重要。石明松和邓景扬对农垦58S 开展的遗传学分析发现，其存在两对控制P/TGMS的主效基因[30]。大量的基因定位研究表明，目前在不同的P/TGMS 系中已精细定位了6 个PGMS 基因(其中包括2 个反PGMS 基因)和14 个TGMS 基因(其中包括2 个反TGMS 基因)[31，32]，并成功克隆了3 个P/TGMS 基因，包括2 个PGMS 基因pms1和pms3[33，34]，2 个TGMS 基因p/tms12-1和tms5[35，36]，其中pms3和p/tms12-1是分别从农垦58S 与培矮64S 中克隆获得，后续实验证实为同一个基因，该基因在不同的遗传背景下，可能会分别受到光温条件的调控作用[35]。

分子机理研究发现，单碱基突变是引起功能变异的来源。pms1上的一个单碱基突变(G 被替换为T)改变了其编码的长链非编码RNA-PMS1T的二级结构，从而增强了miR2118 对其的识别与切割效率，导致PMS1T的切割产物phasiRNAs(phased small interfering RNAs)在长日照条件下过量积累，而phasiRNAs 很可能会对其下游的靶向雄性不育基因进行剪切或抑制，导致雄性不育的发生[21]。pms3和p/tms12-1上的一个单碱基突变(G 被替换为C)同样引起了其编码的LDMAR的RNA 二级结构发生改变，造成雄性不育[33，35]。tms5上的一个单碱基突变造成其编码的RNase ZS1的蛋白质翻译提前终止，导致功能丧失，不能对其底物UbL40s mRNA 进行降解，导致其过量积累而引起雄性不育[36]。以上已报道的几个P/TGMS 基因的位置与作用机理各不相同，另外由于水稻P/TGMS 系的育性转换过程极为复杂，其他大多数的基因还没能克隆，这些基因之间的分子调控网络如何交叉与互作，还有待进一步的探究。

4 两系杂交水稻育种成就

1994 年，安徽、湖南审定了第一批可应用于生产的两系杂交稻组合，分别是皖稻24、皖稻26 和培两优特青，在实际生产中应用面积不大。1995 年，湖北省审定的鄂粳杂1 号在当时双晚稻区和云南等地得到较大面积推广应用。至2000 年前，全国通过省级以上审定的两系杂交稻组合数量和推广面积都非常有限[37]。2001—2015 年，两系杂交稻品种选育和推广进入快速发展时期，通过省级以上审定品种达950 余个[37]，推广面积从1996 年占杂交稻面积不到1%[38]扩大至2016 年的50%左右[38]。从2016—2020 年，两系杂交稻品种选育则进入井喷时期，5 年时间两系杂交稻品种审定数量比前20 年总和还多，达到1 000 余个(www.ricedata.cn)。截至2020 年，农业部冠名的超级稻示范推广品种133 个(www.ricedata.cn)，其中两系杂交稻42 个，占31.6%。

目前，在早晚稻育种方面，湖北大学培育的早籼杂交稻两优287、湖南亚华种业科学研究院培育的早籼杂交稻株两优819 以及湖北省农业科学院粮食作物研究所培育的晚粳鄂粳杂1 号在生产上得到大面积应用。两系杂交稻在中籼杂交稻方面突破性品种较多，以培矮64S 为母本，93-11(扬稻6 号)为父本配组的两优培九杂交稻为第一个有重大突破的两系杂交稻，该品种2001 年通过国家品种审定，在第二年推广面积即超越三系杂交稻汕优63，在当年全国杂交稻种植面积居第1 名，随后在2003、2005、2006、2007 年的推广面积也居杂交稻的第1 名[37]。两优培九推广面积累计超过800 万hm2，是继汕优63 后推广面积最大的杂交稻品种，同时，“两系法超级杂交稻两优培九的育成与应用技术体系”荣获2004 年度国家技术发明二等奖。2005 年至今，杂交稻推广面积最大的品种主要被两系杂交稻品种垄断。继培矮64S 不育系后，广占63S 及其衍生不育系配组的两系组合如丰两优1 号、扬两优6 号、丰两优4 号、新两优6326 等以及SE21S 配组的两优688继续引领两系杂交稻强劲发展势头，在产量和品质等方面有所提升，单个品种累计推广面积66.7 万hm2以上。2010 年以来，Y58S 配组的两系组合Y两优1 号、深两优5814 等成为主要的杂交稻推广品种。在第一代两系不育系培矮64S 基础上改良的C815S、1892S 等配组的C 两优华占、徽两优898、在C815S 和Y58S 基础上改良的新不育系隆科638S、晶4155S 等配组的两系杂交稻隆两优华占、隆两优534、晶两优华占、晶两优534 等在品种抗病性、抗逆性和广适性方面均有不同程度的改进，已在生产上大面积推广应用并取得较好效果。

5 面临的挑战与展望

目前广泛应用的两系不育系主要以温敏型为主，育性转换的临界温度多为23～24 ℃。尽管两系法杂交水稻具有配组自由和育种程序简化等优点，但随着两系法不育系应用范围增加，其在繁殖制种等方面的问题也逐渐凸显。近年来，随着全球气候变暖，极端气候环境出现的频率显著增加，两系不育系在制种过程中出现因低温问题造成育性恢复，导致制种纯度大幅度下降，甚至制种报废的现象时有发生，给种子企业造成巨大经济损失。例如，江苏盐城是全国重要的两系杂交水稻制种基地，但在2009—2015 年期间，有4 年因夏季出现异常低温，造成大面积两系法杂交水稻制种失败，损失惨重[40]。

由于两系不育系制种需要在高温、长日照条件下进行，在长江中下游流域等地区，一般在夏季进行两系杂交水稻制种，而这一时期易出现35 ℃以上的高温，造成不育系柱头活性降低，颖花闭颖严重，大大降低异交结实率，导致制种产量下降，制种成本居高不下。目前，两系法杂交水稻平均制种产量一般约为2 250 kg/hm2，如能大幅度提高制种产量，降低用种成本，将极大的促进两系法杂交水稻在生产上的应用。随着水稻生产方式的改变，对水稻轻简化栽培的需求迅速增加，耐密植、抗倒伏、病虫害抗性强的水稻品种受到青睐，但选育产量、品质、抗倒性及抗病性兼顾的两系不育系仍然困难重重。同时，两系法杂交水稻种子生产机械化水平低，劳动力成本大，也进一步限制了两系法杂交水稻的应用。因此，需加快光敏性两系不育系选育步伐，选育高温下开花习性好、柱头外露率高、柱头活力强的两系不育系，突破两系不育系高温闭颖瓶颈，提高制种产量，降低温度对两系不育系育性波动的影响，解决因两系不育系育性波动影响种植生产安全的问题。另外，加快现代生物技术的应用，利用基因编辑和分子设计育种技术[41，42]将优异材料和基因快速创制光温敏不育系，选育适宜全程机械化制种的两系不育系[43]，提升亚种间杂种优势利用水平是未来两系法杂交水稻发展的必由之路。