水稻光温敏核不育系的育种研究现状与发展策略

杨大兵，夏明元，戚华雄

（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）

1973年石明松在晚粳稻农垦58大田中发现3株自然雄性不育株，1985年该不育材料被定名为湖北光敏感核不育水稻，1988年籼型温敏核不育系安农S-1通过技术鉴定，1999年两系法杂交水稻的标杆品种两优培九通过省级审定。经过近50年的研究和发展，基于光温敏雄性核不育系的两系法杂交水稻已成为杂交水稻不可或缺的组成部分，在提升水稻产量和稻米品质中发挥了重要作用［1］，是亚种间杂种优势利用、超级稻品种选育的主要类型［2］。据全国农业技术推广服务中心提供的数据统计，2017—2021年期间通过国家审定的水稻品种中，两系法杂交水稻占比57.3%［3］；2019年推广面积居前十位杂交水稻品种中，两系法杂交水稻品种占了7个，其中晶两优534、晶两优华占、隆两优华占位列前三；2020年推广面积居前十位杂交水稻品种中，两系法杂交水稻品种同样占了7个，位列前三的品种与2019年的相同，但位次稍有变化。2020年前十位杂交水稻品种总计推广面积为203万hm2，其中两系法杂交水稻占比高达74.82%。两系法杂交水稻的发展为保障中国粮食安全起到了关键性作用。本研究概述了水稻光温敏核不育系的育种研究现状，提出了目前水稻光温敏核不育系育种存在的主要问题，并根据这些问题提出了相应的发展策略。

1 水稻光温敏核不育系的分类与选育

光温敏核不育系是两系法杂交水稻的基础。对农垦58S等光温敏核不育系的育性转换特性研究结果表明，典型光敏核不育系的育性受光照长度和温度高低共同控制，在光敏温度范围内温度高低与临界光长间存在一定负向互作关系；而典型温敏核不育系的育性只受温度高低控制，存在明显的育性转换临界温度点［4］。根据光温敏核不育系育性转换对光温条件的要求，可以将不育系划分为光敏、温敏和光温互作3种类型，光照为主导因素时即为光敏型或光温互作型，而温度为主导因素时则为温敏型［5，6］。

至今为止，育成的光敏核不育系主要是粳型不育系，例如N5088S和7001S等，N5088S配制的杂交水稻品种鄂粳杂1号于1995年通过省级品种审定，其后的十多年间每年推广面积都在6 700 hm2以上，累计推广面积达60万hm2以上，是直接应用持续时间最长的光敏核不育系；7001S于1989年通过省级技术鉴定，以7001S为不育基因来源先后育成了宣69S、广占63S及广占63-4S等优良籼型不育系，仅广占63-4S配制的杂交水稻品种扬两优6号，其累计推广面积就达260万hm2以上，7001S被认为是最有活力的第一代不育系［6］。育成的籼型光（温）敏核不育系以温敏核不育系为主，包括培矮64S、广占63S、广 占63-4S、株1S、Y58S、C815S、1892S、晶4155S和隆科638S等，这些不育系是中国两系法杂交水稻的骨干不育系，每个不育系配制的单个代表性杂交组合在生产上的应用面积均在100万hm2以上。利用培矮64S配制的两优培九累计推广面积最大，达到600万hm2以上，培矮64S也是国内配组组合最多和应用面积最广的不育系之一。

2 水稻光温敏核不育系育性转换的光温反应特性

光温敏核不育系育性转换的不育临界温度是不育系应用的关键。不育临界温度即诱导不育系开始表现不育时的温度，也称育性转换的起点温度。优良实用型的光温敏核不育系特别是温敏核不育系必须具有较低的不育临界温度，而且只有具有这一特性才能保证不育系具有稳定不育期，这样才能有效规避制种期间因持续低温而引起的不育系育性波动。

吴亚先等［7］研究了12份温敏核不育系育性对低温的敏感性差异，结果显示，不育系之间不育起点温度存在明显差异，其中隆科638S、晶4155S等4份不育系的不育起点温度与株1S相近，低于或接近23.0℃；华玮338S、Y58S等6份不育系的不育起点温度在23.0～23.5℃，而对照品种广占63-4S的不育起点温度高于23.5℃。

研究发现，多数定型的光温敏核不育系都存在育性转换的不育临界温度不稳定或升高的问题［8］，不育系的不育临界温度在群体内的个体间存在差异；在自然条件下繁殖不育系种子，随世代数增加，某些育性转换以温度为主导的不育系其不育临界温度的整体水平会逐步提高［4］。在不育基因来源不同的光温敏核不育系之间，不育起点温度漂移幅度和漂移频率存在明显差异［9］，农垦58S衍生的籼型不育系例如培矮64S，不育系起点温度漂移幅度较大；而农垦58S衍生的粳型光敏核不育系，例如N5088S和7001S等，其不育起点温度的漂移幅度和漂移频率比培矮64S明显要小；而以温敏核不育系安农S为不育基因来源的不育系，其不育起点温度漂移幅度和漂移频率都较小。不育系不育临界温度可能由多基因控制，这些基因在群体内的杂合性可能是引起不育临界温度不稳定的主要原因［10］。

3 水稻光温敏核不育系选育中存在的主要问题

光温敏核不育系不育临界温度偏高或不稳定而导致的育性波动是制约两系法杂交水稻可持续发展的关键。当出现极端天气时，光温敏核不育系特别是温敏核不育系的繁殖和制种都会受到影响，造成种子生产失败。1989年其后的14年间，在长江中下游地区有4个年份的夏季均出现了日均温22～24℃的低温天气，持续低温引起不育系的育性波动，致使大面积制种失败，种子生产企业蒙受了巨大损失，给农业生产带来了严重危害。此外，2008—2010年连续3年海南省在2月上旬前后连续30 d平均温度超过23℃，导致温敏核不育系C815S繁种失败［11］。全球气候的变化使气候异常成为常态，盛夏低温的频繁出现对两系法杂交水稻的制种带来了巨大风险。

3.1 光温敏核不育系的不育基因资源来源单一

目前，光温敏雄性不育系的不育基因主要来自于农垦58S、安农S-1和株1S及其衍生系［6，12］，利用光温敏雄性不育系克隆的不育基因主要包括光敏核不育基因pms1和pms3、温敏核不育基因tms5及p/tms12-1等。研究表明，pms1和pms3位点共同控制光敏核不育系农垦58S的不育表型，两者的功能具有重叠效应；pms3和p/tms12-1为同一个基因，但两者在粳稻（农垦58S）和籼稻（培矮64S）遗传背景下表现出不同的光温反应特性［13］，即在粳稻遗传背景下育性由光照长短主导，而在籼稻遗传背景下育性由温度高低主导。生产上大面积应用的安农S-1、株1S及HD9802S等独立来源的温敏核不育系其不育基因均为tms5。利用功能性DNA分子标记对90份光温敏核雄性不育水稻材料的分类结果表明［12］，以农垦58S为惟一不育基因源的杂交后代中同时出现了光敏核不育系和温敏核不育系，但来源于温敏核不育系安农S-1或株1S的杂交后代则全部是温敏核不育系；只有温敏核不育系衡农S-1与现有的光温敏基因不同，表明其不育特性受其他基因控制。由于温敏核不育基因的遗传较为简单，因此在育种实践特别是籼稻不育系的育种工作中，主要还是利用温敏核不育基因。近年来，两系法杂交水稻生产中温敏核不育系占绝对主导地位。由单一基因来源培育出众多的温敏核不育系并在生产上大规模推广应用，将降低遗传多样性，容易受到生物和非生物胁迫的影响。

3.2 光温敏核不育系不育育性转换临界温度的遗传机制尚不清楚

由于光温敏核不育系育性转换的光温反应特性的复杂性，对不育系不育临界温度的遗传研究进展缓慢。对光温敏核不育系不育临界温度性状的遗传研究表明［14］，在23.5℃处理下低临界温度对高临界温度为显性，不育临界温度的遗传符合两对主效基因和微效基因共同作用的混合遗传模型，主效基因的遗传力为80%～97%，可以基本确定临界温度不稳定的原因是不育系群体的异质性和生态选择性所致。对培矮64S衍生的近等基因系的育性感温性的遗传研究表明［15］，在23.5℃处理下不同株系临界不育温度差异显著，利用全基因组测序发现有2个位点与花粉不育关联，分别初步定位在第7染色体上和第9染色体上。这些研究仍有待进一步证实和深入研究。由于光温敏核不育系不育临界温度的遗传机制尚不清楚，导致在不育系选育的实际工作中，前期对不育株育性转换临界温度的选择处于一种盲目状态，这严重制约了实用型光温敏不育系的选育效率。

3.3 光温敏核不育系的遗传基础狭窄

在20世纪90年代和21世纪初，利用光温敏不育系与常规品种或品系，采用杂交育种技术育成了一批优良的不育系，例如前面提到的粳型光敏不育系N5088S和7001S等及籼型的温敏不育系培矮64S、广占63S、株1S等。目前，生产上应用的多数骨干不育系来源于不育系之间的杂交育种育成，例如晶4155S和隆科638S；或采用系统育种育成，例如1892S等。如果不育系育种继续沿用这一技术路线，那么光温敏核不育系的遗传基础将日趋狭窄。

4 水稻光温敏核不育系的发展策略

依据光温敏不育系的育种实践，陈立云等［16］提出了光温敏核不育系选育的性状全优原则、高配合力原则和亲缘适度原则，其中在性状全优原则中要求不育系育性稳定、制种安全、异交结实特性优良、繁殖高产稳产；农艺性状和经济性状特别优良；稻米品质和抗性好。这些原则基本上包括了不育系的所有重要性状，但由于不确定影响因素过多，在实际育种实践中，这些原则只能作为育种工作者奋斗的目标。而要解决目前光温敏核不育系选育中存在的主要问题，还须在光温敏核不育系的新种质创制和不育系不育临界温度的遗传研究上取得突破。

4.1 发掘和利用新的核不育资源特别是籼稻背景下的光敏核不育资源

农垦58S携带光敏核不育基因pms1和pms3，利用农垦58S为惟一不育基因来源的籼型两系不育系中，多数不育系并不携带有光敏核不育基因pms1和pms3，而是携带有温敏核不育基因tms5［12］，少数携带有pms3的籼型不育系也表现为温敏。HN5S是利用农垦58S育成的籼型光敏核不育系［17］，该不育系的不育下限起点温度低（＜23℃），不育性稳定，在湖北省不能繁种，在海南省南繁结实正常；曾汉来等［4］分析了HN5S的不育基因基因型，确认HN5S携带有pms1和pms3基因。参考HN5S的育性基本特性参数，可以初步确定HN5S的光温反应特性与培矮64S的相近，但从育性表现的田间表型数据来看，HN5S与培矮64S之间存在差异，其中的原因可能是HN5S存在发育感光性。综上所述，农垦58S并不适宜作为籼型光敏核不育系的不育基因供体，其原因还有待进一步研究。

根据光温敏核不育系育性转换光温作用模式［4］，在光敏温度范围内光照长度与温度有互补关系，即不育系在较高温度下育性转换的临界光长缩短，较低温度下则需要延长临界光长才能保证不育。光敏核不育系的育性转换受到光照和温度的双重调控，而温敏核不育系的育性只受温度影响［18］。因此，光温敏核不育系在遇到持续低温时，育性会发生波动，但由于育性转换主要由光照长度控制，所以低温对光温敏核不育系育性所造成的影响相对较轻，在同样情况下温敏核不育系的育性波动则更严重。同样在不育系的繁殖阶段，光温敏核不育系受较高温度的影响较小，而温敏核不育系受的影响较大。由于光温敏核不育系特别是光敏核不育系在不育期和可育期的育性都相对比较稳定，所以光敏核不育系也就利用价值最大。在生产实际中，长光不育临界低温低、光敏温度范围宽的光敏不育系的应用生态适应性较广［4］。因此，发掘和创制新的核不育资源特别是籼型的光敏核不育种质对促进两系杂交水稻的发展尤为重要。

4.2 加强对光温敏核不育系育性转换临界温度调控基因的研究，提高不育系的选育效率

针对不育系的不育临界温度存在差异，袁隆平［19］提出了不育临界温度遗传漂变的观点，并提出了以核心种子为主体的原种生产技术和程序。曾汉来等［20］提出了克服水稻不育系不育临界温度升高的选育方法，其核心是连续3代低温育性鉴定选择不育株，并辅之以分子标记辅助选择。在生产实践中，利用这些技术和方法有效地延长了不育系安全使用的年限，但其主要是针对高世代的不育系材料或基本定型的不育系品系，这类材料的不育临界温度的遗传背景已基本定型，而在育种进程中靠增加选择压选育低不育临界温度的不育系则难度很大。在育种实践中发现，对高世代的不育系进行低温鉴定，一旦某类材料的不育临界温度较高或育性分离且多数单株的不育临界温度较高时，在后期育种中，将很难从中获得稳定的低不育临界温度的不育系。

不育系育性转换的临界温度关系到光温敏核不育系是否具有实际应用价值，目前针对育性转换临界温度的选择其育种核心技术还是以传统表型鉴定为主。发掘和创制新的低不育临界温度的光温敏核不育系资源，加强对控制不育临界温度高低的遗传基础及其调控方式的研究，继而开发与育性转换临界温度紧密连锁或功能性分子标记，将大大地提高光温敏核不育系的选择效率。

4.3 充分利用常规育种的最新成果，拓宽光温敏不育系种质的遗传基础

两系法杂交水稻不同于三系法，不受恢保关系制约，因此两系法杂交水稻的亲本可以最大限度地利用常规育种的成果。目前，推广面积位居前列的两系法杂交水稻组合，其父本主要是广东省农业科学院水稻研究所育成的常规品种或品系，例如五山丝苗、华占、黄粤丝苗等。近年来，光温敏核不育系的选育主要采用常规育种和分子标记辅助选择相结合的育种技术，但其核心亲本多数还是局限于之前育成的不育系，利用不同的不育系复交选育新的光温敏不育系，或利用分子标记辅助选择技术将优良基因导入骨干不育系以提升不育系的抗性或品质等［21］。因此，在光温敏核不育系的选育工作中，还须加大利用常规育种最新品种或品系的力度，这将有助于改变光温敏核不育系同质化的现状，拓宽光温敏核不育系的遗传基础。