实用籼型水稻温敏核不育系种质创制进展及未来主攻方向

杨远柱王凯符辰建符星学吴亚先孙毛山谢志梅

（1袁隆平农业高科技股份有限公司/农业农村部南方水稻品种创制重点实验室/抗病虫水稻育种湖南省工程实验室，长沙410128；2湖南亚华种业科学研究院，长沙410128；3湖南隆平高科种业科学研究院有限公司，湖南 宁乡410604；*第一/通讯作者：yzhuyah@163.com）

自袁隆平1966年在《科学通报》上发表《水稻的雄性不孕性》的研究论文以来[1]，中国育种家在杂交水稻领域不断创新，使我国成为了世界杂交水稻育种强国。杂交水稻自1976年大面积推广以来，国内外已累计推广超6.67亿hm2,累计增产稻谷7 500亿kg以上,为中国和世界粮食安全作出了重要贡献。

杂交水稻育种实践表明，不育系是杂交水稻的“芯片”，不论三系法还是两系法，育种的不断突破取决于不育系种质的发现与持续创新。“野败”水稻不育系的发现，实现了我国杂交水稻的“三系配套”，经过“野败”不育系的不断迭代，育成一代又一代三系杂交水稻强优势组合，使我国杂交水稻年种植面积最大时达到1 733万hm2，占水稻同期种植面积的58%，被誉为“东方魔稻”和“第二次绿色革命”。通过水稻光温敏核不育种质的发现，及实用籼型两用核不育系的不断创新，已建立起“两系法”杂种优势利用新途径[2-4]，目前两系法杂交水稻已占据我国杂交水稻半壁江山。

1 水稻两用核不育系选育的三个阶段、指标演变及主要成就

1.1 农垦58S及其光敏型两用核不育系研究阶段（1973—1987年）

1973年，湖北省仙桃市沙湖原种场的科技人员石明松在大田种植的晚粳品种农垦58中发现3株自然雄性不育株，之后（1974—1977年）沿用细胞质雄性不育系的选育方法，通过测交、回交等途径寻找保持系未获成功，观察发现其迟抽穗分蘖和再生穗可以自交结实。进一步研究发现，日照长度是引起育性变化的主导因子，即育性转换主要受日照长度控制（日照长于13.5 h不育，日照短于13.5 h可育），因此称其为光敏型核不育。1981年，石明松在《湖北农业科学》发表了题为《晚粳自然两用系选育与应用初报》的论文[2]，首次提出利用农垦58不育材料开展一系两用杂交水稻杂种优势利用途径。1984年通过鉴定，正式命名为“湖北光敏核不育水稻（HPGMR）”并称之为“自然两用系”。自此，拉开了世界利用光温敏核不育系进行两系法杂交水稻研究的序幕。

1.2 籼型温敏型不育系选育阶段（1987—1995年）

1986年以前，两系法杂交水稻研究主要局限于湖北、安徽等少数省份的部分育种单位，并主要围绕农垦58S开展转育工作。1982年开始，湖北利用农垦58S为核不育供体开展转育籼型光敏型两用不育系的工作，但由于当时认为光敏不育性主要受日照长度的调控，遗传上仅受1～2对隐性基因控制的简单遗传，普遍对温度的影响重视不够，育种技术上采用夏季高温下选择不育株，秋季再选择可育株的方法。然而自然界夏季的长日与高温、秋季的短日与低温往往相伴发生，这种筛选方法没有针对光敏特性而施加压力，得到的不育株既可能是光敏的，也可能是温敏的。后来的实践证明，用这种技术选育的农垦58S的衍生籼型不育系W6154S、W6111S、K9S、K14S等，育性转换起点温度都高于25℃。1987年，湖南安江农校的邓华凤首次发现育性转换受温度控制的籼型温敏核不育系安农S-1[3]，之后，湖南衡阳市农科所周庭波、福建农学院杨仁崔相继育成新核源温敏核不育系衡农S-1和5460S，但起点温度大多数都高于24℃，当1989年盛夏异常低温光临长江流域时，大多数不育系育性因低温恢复，没有实用性。此时育种家们才意识到温度的至关重要性。之后，育种家们把水稻两用核不育系的育性转换起点温度指标确定为≤24℃。在育种技术上，加大了低世代选择的生态压力，即对低世代采取夏季低海拔高温长日条件下选择不育株，高海拔低温长日下鉴定温度敏感性的选择方法，此阶段选育出了培矮64S、安农810S、香125S、W91607S、W9451S、HS-1、HS-2、FJS-1、SE21S等育性转换起点温度较低的温敏核不育系，并通过冷水灌溉较好的解决了繁殖问题。并于1994年培育出第一个通过省级审定的两系杂交稻品种两优培特，使两系法杂交水稻走向生产。但由于选择压力还不够大，育成的这些不育系的起点温度大多在23.5℃以上，且对短期低温敏感，以致出现了所谓“369”现象（即1993、1996、1999年两系制种过程中不育系遇低温育性恢复）。

1.3 实用型温敏两用不育系选育阶段（1996年—）

1992年，袁隆平通过总结过去两用核不育系选育的工作，提出“可育临界低温的高低是选育两用不育系最重要、最关键的技术指标。无论光敏还是温敏，唯有导致不育的起点温度低，并且在低于临界温度时还需要较长的时日才能恢复可育的不育系，才具有使用价值。”并建议在湖南可把临界低温指标定为23℃，时间为3 d；广西的临界低温指标定为24℃[4]。这之后，根据当时国内温敏核不育系选育的实际情况，湖南省两系杂交水稻研究领导小组办公室把湖南省两用核不育系鉴定育性转换起点温度指标实际确定为≤23.5℃，一直沿用至今。

在这一阶段，各地育种家通过种质资源与选育方法的创新，先后培育出株1S[5]、陆18S[6]、湘陵628S、Y58S、C815S、H9802S、深08S、隆科638S、晶4155S、华玮338S等真正实用的温敏两用核不育系，使两系法杂交水稻走上健康发展之路。

1.4 两用核不育系选育取得的主要成就

截止2022年4月，育种家们通过各种途径至少培育出具有省级以上审定组合的水稻两用核不育系685个（表1）。

表1 1973-2021年育成的主要水稻两用核不育系

两系法杂交水稻已成为当前杂交水稻的主要育种途径。据统计，2001—2021年国审两系杂交籼稻1 275个（次），占国审杂交籼稻品种总数的51.5%。两系杂交水稻新品种占比已由“十五”期间的11.2%上升至“十三五”期间的59.8%，其中两系早籼杂交稻和两系中籼杂交稻占比分别达66.7%和62.9%（表2）。

表2 不同时期南方稻区国审杂交籼稻类型及数量

自1995年袁隆平在怀化宣布两系法杂交水稻研究成功以来，两系杂交稻种植面积逐年扩大，据全国农技推广中心统计，“十三五”期间，年推广面积0.667万hm2以上的杂交水稻品种年均推广面积1 122.7万hm2，其中两系杂交水稻482.7万hm2，占比43.0%。2020年推广面积0.667万hm2以上的两系杂交稻品种总面积502.7万hm2，占杂交水稻总面积的47.8%。近10年杂交水稻种植面积前5位的品种基本都为两系杂交稻品种（表3）。

表3 2011-2020年种植面积前5位杂交水稻品种

2 制种安全实用籼型水稻温敏两用核不育系创制进展

两系法杂交稻可否大面积应用于生产，关键取决于两用核不育系是否有稳定的不育期，在不育期内对较长低温的耐受力以及在可育期内能否大批量繁殖种子。要解决这一问题，途径有3个：一是选育光周期敏感型不育系，但目前除农垦58S及其衍生的粳型不育系外，未发现有籼型不育系属光敏不育型。二是选育光温互作型。即表现明显的光温组合效应，在长日条件下，温度高低对育性转换影响较小，对低温敏感性不强，不育性稳定。在短日条件下，较低温度即可恢复育性，繁殖产量较高。但是这类不育系制种区域更加狭窄，低纬度地区制种风险更大。三是选育不育起点温度低且育性敏感期耐受低温时间长的温敏型核不育系。作者认为将这类核不育系的育性转换临界温度指标定为5 d日平均气温≤23℃，且能耐受7 d 23℃低温天气，才能保证湖南盛夏制种基本没有风险[6]。然而，由于受生理不育临界温度的影响，不育起点温度越低，可育温度区间越窄，繁殖越困难。因此，在筛选低不育临界温度的同时，要筛选育性转换敏感期生理不育临界温度≤17℃的耐低温类型。

1993年以来，作者团队通过低不育起点温度温敏核不育系种质和培育方法的持续创新，成功培育出一批制种安全实用籼型水稻温敏两用核不育系，培育出一批满足市场需要的两系法杂交水稻新品种，推动了我国两系杂交水稻品种的更新换代。

2.1 制种安全的温敏核不育新种质株1S的创制与利用

1993年，本团队在籼粳亚种间杂交组合“抗罗早///科辐红2号/湘早籼3号//02428粳”F2群体中发现1株温敏雄性不育材料，研创“自然低温和人工低温双重压力胁迫选择法”对其进行多代育性定向筛选（图1），于1996年培育出制种安全、配合力强、综合性状优良的早籼温敏不育系株1S[5-6]。多年鉴定表明，株1S育性转换起点温度≤22.6℃，能耐受日平均温度23℃低温10 d，是迄今国内外不育起点温度最低、育性最稳定、制种最安全的早籼温敏不育系[5，7]。2000年以来，株1S系列组合制种100余万hm2，即便在2002、2009、2011、2014、2015年盛夏低温导致许多不育系大面积制种失败的情况下，株1S均未出现因育性问题而导致的质量事故。水稻温敏核不育系不育起点温度越低，制种越安全，但可育温度范围越窄，繁殖越困难，株1S生理不育下限温度低（≤17.5℃），拓宽了可育温度范围，有效解决了低不育起点温度温敏不育系的繁殖难题[8]（图2）。2000年以来累计繁殖1 380 hm2，平均单产达253.1 kg/667 m2，纯度达99.7%。

图1 水稻温敏核不育系“自然低温和人工低温双重压力胁迫选择法”

图2 水稻实用籼型两用核不育系温度作用模式

本团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓凤院士团队合作已将株1S温敏不育基因tms5克隆[9]。邓兴旺团队研究结果发现，在tms5基因上下游2 kbp内，株1S与安农S-1有31个SNP差异，其中12个差异突变位点位于编码区，并包含3个非同义突变位点，结果表明株1S的核不育基因tms5遗传来源完全有别于安农S-1，属完全不同的进化来源[10]。株1S已成为实用籼型温敏不育系选育的骨干种质，国内利用株1S不育基因源培育出湘陵628S、隆科638S和晶4155S等72个不育起点温度低、育性稳定的新不育系并在生产中应用。其中，陆18S迄今连续17年作为湖南省水稻温敏不育系育性鉴定试验对照品种，不育起点温度稳定在23℃以下。用株1S及衍生早稻不育系共培育出国审杂交早稻新品种37个，占同期国审两系杂交早稻品种的80.4%，省审两系杂交早稻品种139个，占同期省审两系杂交早稻品种的75.1%。这些两系杂交早稻品种区试平均生育期110.2 d，比同期审定的166个三系杂交早稻平均短2.8 d，其中31个品种全生育期短于108 d，平均单产502.9 kg/667 m2，比对照平均增产5.40%，有10个品种生育期短于106 d，平均单产497.3 kg/667 m2，比对照平均增产5.24%，填补了早熟杂交早稻空白。株两优系列杂交早稻品种区试稻瘟病平均综合指数3.3，有效解决了早熟、抗病、高产之间的矛盾，累计推广面积1 333多万hm2，成为长江流域杂交早稻的主栽品种。

2.2 制种安全优质抗倒温敏核不育系湘陵628S的创制与应用

长江流域早稻灌浆成熟期正值盛夏“火南风”季节，温度高，昼夜温差小，加上强对流天气频繁，易发生倒伏。抗倒伏成为水稻轻简化、规模化、机械化种植的基本要求。同时，早稻普遍存在垩白粒率、垩白度、直链淀粉含量偏高，米饭较硬，口感较差等品质问题，不能满足市场需要。针对上述问题，作者与湖南大学刘选明团队合作，利用体细胞无性系诱变技术创制出株1S矮秆新种质SV14S[11]，株高仅52 cm；与株1S比较，茎基部节间缩短1/2～1/3，秆壁增厚1/3，茎壁薄壁细胞长度短1/2（图3）。作者与中国科学院上海植物生理生化研究所李来庚团队合作，克隆了控制SV14S半显性矮秆性状基因SBI[12]。SBI编码1个新的GA2氧化酶，特异性降低水稻茎基部节间赤霉素含量，从而导致基部节间缩短，使植株变矮，抗倒性增强。

图3 矮秆突变体SV14S与株1S性状比较

本团队利用SV14S和优质软米早籼品种ZR02，培育出聚合有SBI、Wxb等优异基因的优质矮秆抗倒早籼不育系湘陵628S[13]。湘陵628S含约64.3%的株1S遗传背景，除保留了株1S育性转换起点温度低（＜23℃）、耐受低温时间长、配合力强、开花习性好、异交结实率高等优异特性外，还具有SV14S的矮秆特性，株高仅62 cm、茎秆基部节间短、秆壁厚、抗倒力强，所配6个国审陵两优品种区试平均株高仅84.9 cm，在176个区试点无一倒伏，而对照品种金优402倒伏点率高达18.6%，14个同期国审的其他两系杂交早稻区试倒伏点率7.8%。陵两优系列品种已成为规模化、轻简化、机械化制种和种植的首选品种之一。同时，湘陵628S聚合了Wxb等品质基因，整精米率68.6%，垩白粒率4%，垩白度1%，碱消值5.9级，胶稠度62 mm，直链淀粉含量12.8%，系优质软米。所配杂交早稻品种平均整精米率60.2%，直链淀粉含量18.0%，胶稠度67.2 mm，米饭较柔软，口感好。陵两优611、陵两优211区试品质达国（部）标优质3级，陵两优396是近10年湖南省评定的唯一一个3等优质杂交早稻品种。陵两优268被农业农村部认定为超级稻，并被作为国家区试早籼迟熟组对照品种。

2.3 优质高配合力中籼不育系隆科638S和晶4155S的创制与应用

2010年以前，中籼型温敏不育系的改良主要是针对农垦58S及其衍生系，致使中籼型温敏不育系遗传背景狭窄，对父本选择性强，如培矮64S、广占63S等骨干中籼型温敏不育系只与93-11及其衍生系配组具有强优势[10]，而与长江流域三系恢复系、华南籼稻品种配组优势不强，大量优质抗病资源得不到充分利用，培育的品种缺乏遗传多样性。2005年，本团队利用优质抗倒早籼型核不育系湘陵628S作母本，分别与C815S和Y58S杂交，后代经育性加压筛选和株型、感光性、异交性、抗性、品质、配合力等性状的定向选择，以及SBI、Pita、Pia、Piz、Wxb、ALKb等抗逆优质基因的MAS选择，培育出抗病优质高配合力新型中籼温敏核不育系隆科638S[14]和晶4155S[15]（图4），育性转换临界温度低于23.0℃，耐受低温时间长于6 d，生理不育下限温度均低于17.0℃，繁制种安全[8]；带SBI基因，抗倒性强；稻瘟病抗性3～5级；整精米率分别为65.2%和67.3%，垩白度分别为2.4%和2.2%，胶稠度分别为88 mm和82 mm，直链淀粉含量分别为12.4%和13.0%，属优质软米类型，食味好。

图4 优质高配合力两用核不育系隆科638S、晶4155S选育图

全基因组重测序结果分析表明，隆科638S和晶4155S分别含56.0%和51.0%的早籼遗传背景，以及约8.7%的粳稻遗传背景，聚类于早籼型不育系株1S及衍生不育系亚群（Ⅰ-2），独立于其他温敏不育系群（Ⅱ），与长江流域三系/两系恢复系群（Ⅲ），华南籼稻及其衍生系群（Ⅴ）都具有较远的遗传距离（图5），系国内外首次培育的早籼遗传背景为主和掺入粳稻遗传背景的新型中籼两用核不育系，为充分利用“早晚生态型间和籼粳亚种间”双重杂种优势奠定了遗传基础[16]。

图5 隆科638S和晶4155S遗传背景分析及优势种群划分结果

根据亲本优势种群划分结果，作者对南方稻区不同种群的恢复系进行择优配组，2015—2021年，共筛选出96个父本，通过创建“强优势种群、种群间双亲抗性基因互补、品质基因一致”的分子设计组配技术体系，高效培育出隆两优、晶两优系列品种118个191次通过国审，其中父本来自长江流域三系/两系恢复系群（Ⅲ）24个、93-11及其衍生系群（Ⅳ）7个、华南常规籼稻及其衍生系群（Ⅴ）65个，极大拓宽了恢复系的利用范围，丰富了两系杂交中籼的遗传多样性。

隆两优、晶两优系列新品种普遍表现：一是杂种优势强，区试平均产量609.0 kg/667 m2，平均比对照增产4.7%，其中增产8.0%的超高产品种有18个，农业农村部认定的超级稻品种8个。二是抗性强，选择至少携带Pigm或Pi2、Pik、Pita等主效抗病基因的父本与之配组，118个品种稻瘟病中抗及以上占比42.9%，其中31个年种植面积0.667万hm2以上隆两优、晶两优品种，中抗及以上稻瘟病的占61.3%，是同期国审和推广的其他两系品种中抗稻瘟病品种占比的3.7倍。三是品质优，118个部优3级及以上品种优质率67.0%，其中31个推广面积0.667万hm2以上隆两优、晶两优品种优质率达87.1%；3个品种被评为全国十大优质食味超级稻，8个品种被评为湖南、四川、江苏等省高档食味优质稻。四是抗倒力强、再生力好。2015—2019年国审84个品种在1 581点次区域试验中倒（斜）点率仅1.92%，比同期试验的对照品种低7.15个百分点；茎叶不早衰，再生力强，有10个品种被湖南和江西两省推荐为再生稻主推品种，2018—2020年累计作再生稻种植面积达34.9万hm2。

由于隆两优、晶两优系列品种表现突出，深受广大种植户青睐，迅速成为南方稻区的主栽品种。据全国农技推广中心统计，2015—2020年，国内年推广面积0.667万hm2以上的隆两优和晶两优品种有31个，累计推广604.7万hm2；其中2018—2020年累计推广面积539.5万hm2（表4），占全国两系杂交中籼稻种植面积的46.8%。同时，近3年在菲律宾、巴基斯坦累计推广37.8万hm2。

表4 隆两优、晶两优代表性品种近5年全国推广面积及排名情况 （单位：万hm2）

2.4 优质绿色高配合力温敏两用核不育系的创制与应用

2.4.1 广谱抗稻瘟病优质中籼两用核不育系隆臻36S的创制

针对隆科638S不带广谱抗稻瘟病基因，制种不闭颖率高等缺陷，作者所在团队用隆科638S为母本，与携带广谱抗稻瘟病基因Pigm的谷梅4号杂交，再用隆科638S作轮回亲本，进行6次回交，在回交过程中逐代对Pigm、Wxb等目标基因进行MAS选择和稻瘟病抗性、闭颖性、品质、配合力、异交性等进行严格的田间表型筛选，定向培育出抗稻瘟病优质高配合力中籼两用核不育系隆臻36S（图6A）。隆臻36S除保留第6染色体Pigm基因片段外，基因组背景代换率达98.1%（图6B），且育性转换温度、株叶形态、生育期、异交结实率、配合力等性状与隆科638S无明显差异，但稻瘟病抗性≤3级（图7），种子不闭颖率≤3%，米质优，米饭适口性好。2020—2021年已有9个品种（12次）通过国家或省级审定（图5），中抗及以上稻瘟病组合占比高达83.3%，且丰产性好，8个长江流域杂交中籼稻品种区试平均产量635.2 kg/667 m2，比对照平均增产3.4%，品质达部优3级及以上品种占66.7%，其中部优2级占33.3%。

图6 -A隆臻36S选育流程图 图6-B Pigm导入系各染色体背景被代换背景分析

2.4.2 优质抗病高配合力两用核不育系华玮338S的创制及应用

针对隆科638S和晶4155S存在的缺点进行杂交改良，后代通过抗性、品质、氮高效利用等多基因MAS选择，及育性、抗性、品质、异交性、配合力的加压筛选，培育出优质抗病高配合力中籼两用核不育系华玮338S，综合了隆科638S和晶4155S的优点，克服了二者的缺点，育性转换起点温度低于23℃，耐受23℃低温时间7 d以上，制种安全。株高80 cm，株型较紧凑，生长繁茂，分蘖力强，穗型中等，千粒重大，优质软米，且组合品质倾向于父本，配合力好。已培育出15个玮两优系列品种19次通过国家品种审定，区试平均比对照增产4.96%，全生育期比对照仅长1.9 d，平均稻瘟病抗性综合指数3.4，平均最高损失率4.9级，优质率68.4%，其中品质达部标2级优质的品种7个（表5），表现尤其突出是玮两优8612和玮两优7713。玮两优8612，长江中下游中籼区试平均产量670.5 kg/667 m2，中抗稻瘟病，2021年湖南隆回超级稻6.67 hm2示范片专家验收平均产量达1 114.8 kg/667 m2，创湖南省一季稻单产最高纪录；玮两优7713，长江中下游中籼区试平均产量661.0 kg/667 m2，抗褐飞虱3级，稻瘟病最高损失率5级，品质达部标优质2级，2021年湖南隆回超级稻6.67 hm2示范片专家验收平均产量1 083.9 kg/667 m2。

表5 华玮338S所配国审品种区试产量、生育期、抗性与品质统计结果

2.4.3 高温钝感型优质中籼两用核不育系华悦468S

针对大多杂交稻品种对高温敏感、高档优质稻品种缺乏的现状，2004年开始，作者所在团队利用两系核心种源培矮64S与株1S大粒变异株杂交，经16代品质强化筛选，创制出株型理想、高异交率、高商品种子、高温品质钝感的高档优质中籼两用核不育系华悦468S。糙米率79.0%，精米率69.0%，整精米率61.5%，垩白粒率6%，垩白度1.1%，长宽比3.0，透明度1级，碱消值7.0级，胶稠度73 mm，直链淀粉含量13.2%，所有品质指标都达到部标优质2级。用华悦468S已培育出14个悦两优系列品种15次通过国审，品质对环境钝感，稳定性好，优质率100%，其中部优1级品种3个，部优2级品种9个，部优2级及以上品种占比80.0%（表6）。

表6 华悦468S所配国审品种区试产量、生育期、抗性与品质统计结果

15个次国审悦两优品种平均整精米率65.8%，垩白度2.1%，长宽比3.4，透明度1级，碱消值6.2级，胶稠度65.1 mm，直链淀粉含量15.8%。米饭粒粒晶莹，成型好，软而不粘，富有弹性，细嚼无渣有回甜，适口性好。悦两优2646于2018年被评为湖南省1等优质食味杂交中稻，填补了湖南省1等优质食味杂交中稻空白，2020年被评为海南省优质金奖品种第一名；悦两优美香新占，2020年被评为湖南省1等优质食味杂交一季晚稻；悦两优钰占、悦两优1672、悦两优72和悦两优8549被评为湖南省2等优质食味杂交稻。

2.4.4 长粒高档优质中晚稻两用核不育系振湘S

利用高档优质稻资源Basmati与隆科638S等优良不育系杂交，后代通过品质基因MAS选择，及育性、抗性、品质、异交性、配合力等性状的加压筛选，培育出高档香型长粒优质中晚稻不育系振湘S。主要品质指标：整精米率55.4%，粒长7.4 mm，长宽比4.2，垩白粒率7%，垩白度1.3%，直链淀粉含量16.1%，胶稠度60 mm，碱消值7.0级，透明度1级。振湘S所配组合株型紧凑，茎秆中粗，抗倒性好，穗型长，着粒稀，基本为一次枝梗，熟期为中熟中稻和迟熟晚稻类型，目前已有8个振两优系列组合（9次）通过国家或湖南省审定（表7），区试平均产量571.2 kg/667 m2，中抗稻瘟病品种占比66.7%，品质达部标优质2级及以上品种占比100%，整精米率60.1%左右，垩白度1.7%左右，长宽比4.1左右，透明度1级左右，碱消值6.6左右，胶稠度66.2 mm左右，直链淀粉含量16.1%左右。米饭伸长度、完整性好，不爆腰，外观好，米饭松软，清香爽口，软而不粘，富有弹性，细爵无渣，冷饭不回生。

表7 振湘S所配国审品种产量、生育期、抗性、米质统计结果

3 未来实用型水稻两用核不育系育种主攻方向

3.1 培育绿色安全广适高效水稻温敏两用核不育系

“十三五”期间国审的1 381个次杂交籼稻品种中，“双抗”品种仅4个，占比0.3%，无“三抗”品种。由于抗病虫品种稀少，加上耐非生物逆境、养分利用、广适性等多方面的问题，致使我国水稻大面积单产多年徘徊在465 kg/667 m2左右，与区试平均单产相差近150 kg/667 m2。而且，我国单位面积农药、化肥使用量远高于世界平均水平，农药化肥总消耗量占全球总量的三分之一[17-18]，致使农业面源污染严重，甚至危及食品安全。培育抗病虫品种是推进绿色生产方式、实现国家“两减”以及“碳达峰”和“碳中和”目标、确保人民吃饱、吃好、吃得健康的迫切需要。进一步加大抗病虫、耐逆境、养分高效利用等种质资源的收集、评价与利用力度，尤其高度重视Pi2、Pigm、Pita、Pikm等主效抗稻瘟病基因，Bph3、Bph6、Bph9、Bph27、Bph30等主效抗褐飞虱基因，Xa23、Xa7、Xa21、xa5等主效抗白叶枯病基因，NGR5、NR2、NRT1.1B、TCP19等氮高效利用基因，以及TT3、DROT1、LGT1等耐逆境基因的育种利用，强化分子育种技术与传统育种技术的深度融合，高效培育多抗、氮高效、耐高低温的绿色安全广适高效的水稻温敏两用核不育系。

3.2 培育适合全程机械化制种的水稻温敏核不育系

随着农村劳动力向非农产业转移，农村劳动力结构发生巨大变化，传统的精耕细作、劳动密集型水稻制种模式已不适应生产方式变革的需要，杂交水稻种子生产成本过高已成为限制杂交水稻产业发展的重要瓶颈。从育种上来说，解决这一瓶颈主要有两条途径，一是培育差异化亲本，即创制隐性遗传的小粒、短粒、有色颖壳等不育系，与大粒、长粒、颖壳颜色正常的父本混播混收，通过粒型、颜色分选机实现杂交种子和父本种子的有效分离，实现杂交水稻父母本全程机械化混播制种。湖南农业大学、隆平高科、湖南省水稻研究所在小粒水稻温敏两用核不育系选育上都取得了很好的进展[19-20]。二是培育高度抗倒、高异交率、高种子活力的不育系与高度抗倒、花粉量足、花粉活力强的恢复系，实现父母本工厂化育秧、大行比机插、无人机防治病虫和喷施赤霉素、无人机授粉、机械收割、机械干燥等杂交水稻全程机械化作业，推动杂交水稻种子生产的规模化、机械化、集约化、标准化发展。2012年，隆平高科开始这项研究[21]以来，目前已示范推广5～6年，一般制种单产200 kg/667 m2以上，比传统制种方式节省人工50%以上，节省成本370元/667 m2，大幅度减轻劳动强度，提高劳动效率，降低杂交水稻种子生产成本。作者认为，利用小型飞机进行全程机械化制种是未来杂交水稻高效制种的重要途径。

3.3 培育高档优质或专用型水稻温敏核不育系

随着人们生活水平的不断提高，国民已由“吃饱”转向“吃好”“吃得健康”，对稻米品质的要求越来越高。但目前高档优质稻率仅10.0%左右，远远满足不了市场的需求[22]。进一步加强食味品质基础研究，重视优良食味品质基因（Wx、ALK、fgr等）的利用，强化低世代选种材料的环境（高温）胁迫筛选，培育高温钝感香型食味优质水稻温敏不育系及品种，成为目前杂交水稻育种的主攻方向。

同时，随着饮食结构的变化，营养过剩等导致高血压、高血脂、糖尿病、肾病等患者逐年增加，以及我国西部欠发达地区农村还存在一定比例的隐性饥饿人口[23]。因此，需培育高抗性淀粉、低谷蛋白、高γ-氨基丁酸、高谷蛋白、高维生素、富铁、富锌、富硒等功能型优质杂交稻亲本及品种，以满足上述特殊人群的需要。

3.4 培育育性安全的水稻温敏两用核不育系

两用核不育系的育性表达受环境条件控制，繁殖制种始终存在风险，育性安全仍然是制约两系杂交稻发展的主要技术瓶颈。目前主要有三条技术途径：

一是利用国内外育性转换起点温度低、忍耐低温时间长、制种安全的温敏不育核心种质株1S为核不育源供体，与生产上其他来源的主推不育系杂交，通过“自然低温与人工低温双重压力胁迫筛选法”对后代进行育性加压胁迫筛选，培育出不育起点温度与生理不育下限温度双低、忍耐低温时间长的温敏核不育系，是确保温敏两用核不育系的繁殖与制种安全的重要技术途径。

二是利用高温可育、低温不育的雁农S等温敏核不育种质[24]，培育育性转换起点温度连续5 d≥30℃的繁殖制种安全的低温不育型水稻温敏核不育系，解决两系杂交水稻春季和高海拔地区制种问题。

三是利用前先锋公司SPT技术，开展水稻普通核不育种质利用，培育育性绝对安全的水稻智能不育系[25]，这类不育系克服了现有两系和三系所存在的缺陷：（1）不育系育性不受环境影响，不受时空限制，完全消除制种风险；（2）系普通核不育类型，配组自由，资源利用率高；（3）繁殖简单，与繁殖常规稻一样生产繁殖系，用荧光色选机将繁殖系与不育系分离；（4）繁殖产量稳定；（5）理论上系转基因技术生产而非转基因产品。目前，深圳分子作物设计中心邓兴旺和湖南杂交水稻研究中心李新奇等[26]已创制出育性绝对安全的水稻智能不育系，并成功应用于杂交水稻新品种培育，称为“第三代杂交水稻”。

3.5 培育重金属低积累的水稻温敏核不育系

耕地土壤的重金属污染已成为危及我国食品安全和粮食生产安全的主要因素之一[27]。全国土壤污染状况调查数据显示，全国耕地污染点位超标率达19.4%，土壤镉超标率达到7.0%[18]。加上由于水资源的不足和机械化收割的普及，灌浆后期提早脱水已成为主要耕作方式，进一步加重了稻谷重金属超标的风险[28]。Os－Namp5是水稻吸收镉的主效基因，OsNramp5功能缺失突变体可显著降低水稻对镉的吸收能力。因此，利用OsNramp5大片段缺失的珞红A/B[29]、单碱基突变的材料R9311-lcd1[30]及利用重离子辐射技术获得低镉隆臻36S[31]等低镉种质进行杂交改良，通过分子标记辅助与表型鉴定相结合的方法对后代进行加压胁迫选择，加速培育低镉亲本及品种，从根本上解决稻米镉污染难题，确保食品安全和粮食生产安全。

3.6 培育育性转换起点温度低的高异交率粳型水稻温敏核不育系

近年来，通过“粳不籼恢”配组模式，在籼粳亚种间杂种优势利用方面取得了实质性突破。浙江省宁波市农业科学院、中国水稻研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所等单位培育的甬优系列[32-34]、春优系列[35-36]、中嘉优系列[37]籼粳交强优势品种先后通过审定并大面积推广应用，表现出强大的增产潜力，展现出美好的应用前景。但目前籼粳交杂交稻不育系基本上是三系滇型晚粳不育系。在两系杂交稻研究初期，利用农垦58S培育出7001S等[38]粳型光敏核不育系，并配制出华粳杂1号等[39-40]杂交粳稻组合通过审定，终因杂种优势不强、制种产量较低而未能大面积推广。利用tms5温敏不育种质转育的粳型温敏不育系大多起点温度高于25℃，没有实用价值。近年来，作者利用低不育起点温度不育系核心种质株1S与广亲和粳稻品种杂交，已培育出育性转换起点温度低于23.5℃的粳稻温敏核不育系，有望取得突破。

3.7 利用基因编辑等技术高效创制优异不育系种质

人类1万余年农业实践的遗传学实质是筛选与利用自然界或人为产生的随机突变，基因编辑技术赋予人类对目标基因定点、定向突变的技术能力，是最有效的分子设计育种技术之一。目前水稻已有tms5、OsMS1、CSA、pms1、pms3（p/tms12-1）、tms6（t）等光温敏关键核不育基因被克隆[9，41-45]，为高效精准创制两用核不育系奠定了基础。例如，隆平高科种业科学院通过编辑晚粳资源WG06的CSA基因，创制出临界日常＜13 h的光敏粳型不育系WG06S，所配杂交粳稻组合表现出极强的杂种优势。同时，利用基因编辑技术定点敲除现有温敏不育系的OsNramp5、Pi21和ERF922基因，培育低镉、抗病水稻温敏核不育系已取得很好进展[31，46]。但是，由于控制温敏不育的起点温度关键基因及其分子机理仍然未被解析，以及现行的基因编辑品种监管政策，限制了基因编辑技术在优异不育系种质创制中的应用。