水稻籼粳杂种不育性的遗传机理及杂种优势利用

郭 洁，刘少隆,2，周新桥，陈达刚，陈可，叶婵娟，李逸翔,3，刘传光，陈友订

（1.广东省农业科学院水稻研究所/ 广东省水稻育种新技术重点实验室/ 广东省水稻工程实验室/农业农村部华南优质稻遗传育种重点实验室，广东 广州 510640；2.仲恺农业工程学院农业与生物学院，广东 广州 510225；3.广东海洋大学滨海农业学院，广东 湛江 524088）

水稻（Oryza sativaL.）是最重要的粮食作物之一，世界上50%以上的人口以稻米为主食［1］。面对当今严峻复杂的国内外形势，高产水稻的选育对保障我国粮食安全至关重要［2-3］。20 世纪60 年代矮化育种和70 年代杂种优势利用，使水稻的单产水平发生了两次质的飞跃［4］。随着世界人口数的不断增加及耕地面积的急剧减少，水稻的产量已经无法满足人们的需求，水稻的超高产育种对于解决人类粮食问题具有重要意义。目前杂交水稻主要是运用种内杂交，如籼稻与籼稻杂交，粳稻与粳稻杂交，双亲的遗传距离较近，差异小，杂交稻的杂种优势受到了很大的限制，亟需增大双亲的遗传距离，使水稻的产量得到进一步的提高［5-6］。

亚洲栽培稻（Oryza sativaL.）为稻属（Oryza）中两个栽培种之一，在世界各地广泛栽培。籼稻（Oryza sativaL.indica）和粳稻（Oryza sativaL.japanica）是亚洲栽培稻两个彼此独立的亚种，在形态、生理和基因水平上存在很大差异，两者杂交将会产生强大的杂种优势，主要表现在植株高度、根系发达、有效穗及粒重显著提高等方面［7-8］。水稻籼粳亚种间杂交水稻也被称为第5 代（5G）水稻，能够充分利用籼粳亚种间强大的杂种优势，进一步提升水稻的产量潜力，将是水稻的又一重大变革［9-10］。但是，亚种间杂种F1的结实率偏低，表现为不育或半不育，限制了亚种间的遗传交流，严重阻碍了亚种间杂种优势的利用［10-12］。

克服籼粳亚种间杂种不育性是使籼粳亚种间的杂种优势得到充分利用的关键。为此，众多科学家对水稻亚种间杂种不育进行深入研究，发现籼粳亚种间杂种不育的分子机制非常复杂。目前，已定位50 多个杂种不育位点，其中12 个不育位点已经被克隆［13］。此外，广亲和基因（Widecompatible genes，WCGs）和广亲和品种（Widecompatible varieties，WCVs）的发现为克服亚种间杂种不育提供了可能，含有广亲和基因型的材料无论与籼稻还是粳稻杂交，杂种都能正常结实或结实率较高，是克服籼粳亚种间杂种不育的重要资源［14］。随着杂种不育机理研究的深入，通过籼粳架桥、培育多基因聚合的广亲和系或粳型亲籼系、基因编辑技术等途径能够显著提高籼粳亚种间杂种的结实率［13］。本文综述了水稻籼粳亚种间杂种不育的遗传基础和分子调控机理，以及克服籼粳亚种间杂种不育的方法策略，对5G 水稻的推广和杂交水稻产量的提升提供重要的理论基础。

1 水稻籼粳分化与杂种优势

籼稻和粳稻是亚洲栽培稻的2 个亚种，其中籼稻主要分布在低纬度的亚热带地区，如我国南部沿海和淮河以南的低海拔地区，而粳稻主要分布于亚洲东部的温带地区，如我国秦岭淮河以北等温度较低的地区，及亚洲东南部和高海拔的亚洲南部地区。

1.1 亚洲栽培稻的籼粳分化

籼粳分化是亚洲栽培稻分化的主流。在自然和人工的双重选择下，籼稻与粳稻在形态学和生理学，包括株型、粒型、叶色和对光温的敏感性等方面存在很大的差异。鉴定稻属资源的籼粳类型一般采用形态学鉴定和分子标记分类法。形态学鉴定主要是采用以6 个易于观测的形态性状（稃毛、酚反应、第1～2 穗节间长、抽穗时壳色、叶毛及谷粒长宽比）为主要指标的“程式指数法”［15］。分子标记分类法早期主要是利用同工酶标记、RFLP (Restriction fragment length polymorphism)、SSR (Simple sequence repeats)、RAPD (Randomly amplified polymorphic DNA)、rRNA (Polymorphic ribosomal DNA)等分子标记鉴定稻属资源籼粳属性，揭示了籼稻和粳稻在基因组中存在着广泛的差异［16-19］。随着测序技术的发展及成本的降低，重测序技术逐步应用在籼粳分化领域，通过对大量的籼稻和粳稻品种进行全基因组测序，表明了籼稻和粳稻两个群体间存在大量序列变异和结构变异，并针对于特异性差异设计出InDel 或SNP标记，能够更准确高效地鉴定籼粳类型及籼粳分化程度［21-24］。

1.2 亚种间杂种优势

水稻双亲间的遗传距离与杂种优势的强度呈正相关，因此籼粳亚种间杂种F1在营养器官和产量上表现出强大的杂种优势［25-26］。袁隆平［27］提出杂交水稻的3 个发展阶段，即品种间、亚种间和远缘杂种优势的利用，籼粳亚种间的杂种优势有望成为杂交水稻进一步提升产量的有效途径。依据遗传背景的差异，籼粳亚种可进一步划分为典型籼稻、籼稻、偏籼、中间型、偏粳、粳稻及典型粳稻7 种类型，其中爪哇稻主要是指热带粳稻，介于籼亚种和粳亚种的中间类型［28］。Yuan［29］研究发现亚种间内杂种优势强度的趋势为籼/粳＞籼/爪＞粳/爪＞籼/籼＞粳/粳。近年来，已有不少籼粳间杂种利用成功的例子，籼粳亚种间杂种F1在分蘖数、单株秆重、每穗总粒数、单株茎数、株高和穗长等性状方面表现出明显的优势，如利用具有广亲和基因的籼型两系不育系64S 与粳稻材料R2859 配组，育成耐寒性和抗逆性显著优于亲本的培两优2859［30］。邢运高等［31］利用广亲和两系不育系9311S 与粳稻配置40 个组合，杂种F1在株高、穗长、单株产量等8个性状具有正向超亲优势和竞争优势。但是，典型的籼粳亚种间杂交稻组合较少，还有较大的提升空间。张桂权［9］提出籼粳亚种间杂交水稻将是第5 代(5G)水稻，这一代水稻能够充分利用籼粳亚种间的杂种优势，使水稻的产量潜力得到进一步的挖掘和提升。

2 籼粳亚种间生殖隔离

籼粳亚种间遗传分化造成的两者间显著差异是决定其杂种优势的重要因素，但受限于亚种间的生殖隔离。生殖隔离指的是两个不同种或亚种的个体之间不能杂交产生后代，或者产生的杂种后代不育。生殖隔离具有多样性，根据其发生时期，可分为两大类：一类是合子前生殖隔离，即生殖隔离发生在形成合子之前，通过阻止合子的产生而导致生殖隔离，主要包括地理隔离、生态隔离、季节隔离、生理隔离、形态隔离和行为隔离等多种形式；另一类为合子后生殖隔离，主要包括杂种衰败、杂种劣势和杂种不育等形式［32］。

2.1 杂种衰败

杂种衰败是生殖隔离的一种重要形式，杂种F1表现为正常可育，但其杂种后代或回交后代的个体表现衰弱不能成活或者不育。杂种衰败是由1 个或多个隐性基因控制的，其遗传机制非常复杂，目前为止，关于控制杂种衰败相关基因的精细定位与克隆的报道还较少，隐性互补基因hwe1和hwe2、hbd2和hbd3目前已被精细定位在水稻染色体上控制水稻籼粳亚种间的杂种衰退，其F2后代中会出现矮化、少分蘖的表型［33-34］。隐性基因hbd2和hbd3是控制杂种衰退的两个重要基因，hbd2编码1 个酪蛋白激酶基因，其等位基因hbd2-CKI1由于单个氨基酸的变化获得了有害的功能；hbd3被定位到1个NBS-LRR 基因簇区域内，hbd2和hbd3两者结合可能异常触发了水稻的自身防卫反应，从而造成了杂种衰败，其弱势表型可能是由于自身免疫应答所引发［34］。

2.2 杂种劣势

杂种劣势是合子后生殖隔离现象，杂种F1在营养生长阶段表现为萎缩黄化、分蘖减少、矮化、死亡等。目前已在水稻不同染色体上初步发现10 多个基因位点与杂种劣势现象相关［35］，其中Hwc1和Hwc2是控制杂种劣势的重要基因［36-37］。Hwc1被精细定位于第1 号染色体长臂上60 kb 的区间内，Hwc2精细定位到了第4 号染色体19 kb的区间内。Hwc1和Hwc2两个位点中的一个显性纯合一个显性杂合时或两个都显性杂合时则会使杂种F1表现出弱势，而当这两个位点任意一个隐性纯合时，植株生长正常，不会产生杂种弱势。

2.3 杂种不育和广亲和性

杂种不育属于子后生殖隔离，是最常见的亚种间生殖隔离形式。水稻品种间杂交后代的小穗育性一般高于50%，而籼粳杂交产生的后代的小穗育性普遍低于亚种内的杂种［7,38］。引起杂种不育的原因有很多，包括雄配子体败育、雌配子体败育、雌雄配子体不亲和、花药不开裂以及环境因素等，其中雌雄配子体败育是籼粳杂种不育的主要形式［39-40］。此外，部分水稻品种进行杂交配组时，与籼稻或粳稻杂交的后代均为正常可育，且正反交对育性无明显影响，这一部分品种被称为广亲和品种，这些品种中控制籼粳杂种育性的位点则被称为广亲和基因［14,41］。

3 籼粳亚种间杂种不育性的遗传机理

籼粳亚种间杂种不育具有普遍性和复杂性，受多个不育基因座控制。随着分子标记技术的发展与应用，目前已鉴定出50 多个杂种不育数量性状位点（Quantitative trait loci，QTL）和基因，分别分布在水稻的11 条染色体上［11-12,42-43］。大多数的基因/QTL 只是被鉴定或初定位，或只出现在特殊的杂交组合，目前仅有12 个杂种不育座Sa、S5、HSA1、S7、S1、Sc、qSHMS7、ESA1、DPL1/DPL2、S22、S27/S28和DGS1/DGS2被克隆［11-13,43-44］。

水稻种间杂种不育基因或QTL 的定位或克隆，对克服籼粳亚种F1不育性具有一定的指导意义，目前已有4 个种间杂种不育座被克隆。其中，杂种不育座S1是控制种间杂种不育的重要基因，非洲栽培稻等位基因S1-g 由3 个紧密连锁的基因S1A4、S1TPR和S1A6（SSP）形成复合体共同调控杂种F1育性，S1TPR基因还起到保护非洲稻型S1-g 型配子免于败育的作用，呈现非对称遗传互作［45-46］。在亚洲栽培稻O.sativa和杂草稻杂交组合中，杂种不育基因座S22被定位在第2 染色体的短臂末端，发现它是由两个基因S22A和S22B组成的，并且这两个基因是独立地导致杂种F1的花粉败育，其中S22B编码一个DUF1668蛋白，在花药中特异表达［47］。杂种不育基因座S27和S28共同作用导致了杂种F1的花粉败育，其中S27-T65 和S28-glum 都编码一个与呼吸作用有关的线粒体蛋白mtRPL27，该蛋白的缺失会导致呼吸作用无法正常进行，从而使杂种F1花粉败育。因此，当雄配子含有S27-T65 或S28-glum 至少1 个基因时，不会发生败育，只有“双隐性”（S27-glum/S28-T65）时雄配子才会发生败育［48］。此外，在亚洲栽培稻O.sativa和1 年生普通野生稻Oryza nivara组合中鉴定出一组基因DUPLICATEDGAMETOPHYTICSTERILITY1(DGS1)和DGS2，分别位于第4 和第7 号染色体上，互相作用导致种间杂种F1的花粉不育。在杂种F1中，携带DGS1-nivaras 和DGS2-T65s 等位基因的雄配子才会表现为败育［49］。该基因组和杂种不育基因组S27/S28属于同一种基因互作模式。

此外，水稻籼粳亚种间杂种不育是受多个基因控制的。张桂权等［50-52］利用台中65 的F1花粉不育近等基因系统地研究了亚种间杂种不育性，提出“特异亲和”的学术观点，并认为籼粳杂种不育性至少受Sa、Sb、Sc、Sd、Se和Sf6 个花粉不育基因座的控制。随后各研究团队利用不同的近等基因系、单片段代换系、低代回交群体定位了30 多个杂种不育位点，例如DPL1、DPL2、S24、S25和S35等基因导致杂种F1败育［11-13,43-44］。Guo 等［53］发现籼粳亚种间杂种不育性主要受花粉不育基因座Sb、Sc、Sd和Se以及胚囊不育基因座S5控制。目前，仅克隆了3 个不同的花粉不育座Sa、Sc、DPL1/DPL2和3 个雌性不育座S5、HSA1、S7［11-13,43-44］。

3.1 花粉不育基因定位、克隆与功能分析

庄楚雄等［54］将Sa座位定位在第1 号染色体标记CDO548 附近。Long 等［55］克隆杂种不育基因座Sa，该位点由相邻两个基因组成，其中SaF编码一个F-box 蛋白（F-box protein），等位基因SaM则编码一个泛素修饰因子E3 连接酶（small ubiquitin-like modifier E3 ligase-like protein），并提出“两基因/三元件(two-gene/three-component interaction model)”的互作模型，指出大多数籼稻品种基因型是SaM+SaF+，粳稻品种基因型是SaM-SaF-，而SaF+与SaM-能够直接互作以及与SaM+间接作用，导致携带SaM-的花粉败育引起籼粳杂种花粉半不育，并且SaM+、SaM-和SaF+三者缺一不可。这种模型能够很好地解释了籼粳亚种间的杂种不育性［55］。

Li 等［56］利用T65 和其近等基因系E2 将不育基因Sb座定位在分子标记A8 和A14 之间约27 kb 的区间内，该区域内存在7 个ORF。Zhao等［57］在CSSL/Asominori 杂交组合中发现一个新的杂种不育位点S24，并将其精细定位于水稻第5 号染色体上约42 kb 的区间内，通过位置比对发现S24和Sb可能为同一基因座，ORF2为目的基因，编码一个锚定蛋白ANK-3。此外，杂种雌性不育位点S31精细定位于第5 号染色体短臂上标记InDel193 与InDel212 之间，与Sb基因座的定位区间相邻［58］。

花粉不育位点Sc定位在水稻第3 号染色体上，该基因的结构变化和拷贝数的差异导致杂种雄性不育。粳稻的等位基因Sc-j只有1 个花粉正常发育必须的编码DUF1618 蛋白的基因，而籼稻携带的等位基因Sc-i存在序2-3 个拷贝数。在Sc-i/Sc-j 杂种F1，Sc-i的高表达极大地抑制了Sc-j的表达，造成携带Sc-j的雄配子选择性败育［59］。

Li 等［60］利用近等基因系发展作图群体将Sd定位在第1 号染色体分子标记PSM93 和PSM74之间约67kb 的范围内，基因注释表明该区域内有17 个预测ORF。朱文银等［61］将花粉不育位点Se初步定位于水稻第12 染色体上；Win 等［62］将杂种不育基因座S25定位于水稻第12 染色体上标记G24 和G189 之间；Chen 等［63］在Nekken2/YeongPung 杂交组合中定位了一个杂种雌性不育位点S35（t），位于第12 染色体短臂上，与标记RM19 和RM6269 连锁，根据位置比较分析，S35（t）、S25和Se很可能为同一基因座或同一位点的不同等位基因。

Mizuta 等［64］将DPL1、DPL2两个籼粳杂交花粉不育位点定位在第1、6 染色体，DPLs 编码一种高度保守的植物特异的小分子蛋白。其中DLP1-N+和DLP2-K+为2 个有功能的等位基因，共同控制杂种F1花粉的萌发，而DLP1-K-和DLP2-N-这两个等位基因不能正常表达，因此在杂种F1产生的雄配子中，只有同时携带DLP1-K-和DLP2-N-的花粉粒才不能正常萌发，从而导致杂种F1不育。

3.2 雌性不育基因克隆与功能分析

1986 年，Ikehashi 等［41］发现一个导致籼粳杂种F1胚囊败育的基因，命名为S5，并将S5座初步定位在水稻第6 染色体。随着研究的深入，更多的雌性不育座S7、S8、S9、S15、S17、S26（t）、S31和S35（t）等被发现和定位［11-12,42-43］。

杂种不育基因S5编码一个天冬氨酰蛋白酶（aspartic proteases，APs），通过控制雌配子的育性而影响水稻杂种F1的结实率，其中籼型等位基因S5-i和粳型等位基因S5-j之间仅有两个碱基的差别，分别引起相应蛋白质中心结构域Phe-273和Ala-471 两个氨基酸的替换，造成其杂种不育。而S5-n基因则在其编码蛋白的N 末端有136 bp序列的缺失，从而丧失了基因功能，因此S5-n基因无论与籼稻还是粳稻杂交，都不影响杂种F1的育性［65］。Yang 等［66］提出S5座是由3 个基因共同控制，其中ORF3基因与热激蛋白Hsp70基因具有同源性，它能够保护胚囊免于败育，被称为保护者；ORF4基因编码一个跨膜结构域蛋白，随后提出了控制水稻籼粳亚种间杂种F1育性的“杀手与保护者（killer-protector）”互作模型。在雌配子发育过程中，ORF4+和ORF5+作为杀手，共同作用导致携带ORF3-的粳型配子败育，而籼型配子由于保护者ORF3+的存在而正常存活，最终使亚种间杂种F1表现为半不育；而广亲和品种缺失ORF4+和ORF5+之一或者全部缺失而失去了破坏胚囊育性的功能，故与籼稻及粳稻均能产生正常可育的后代［66］。随后，Rao 等［67］在籼粳杂交群体中初定位4 个主效QTL，与S5座相互作用共同控制籼粳亚种间杂种不育性。

杂种不育基因S7被定位在水稻第7 染色体，S7-ORF3基因编码编码TPR（tetratritricopeptide repeat）结构域蛋白，在雌性配子体的形成过程中，杂合体的S7-ai/S7-cp和S7-ai/S7-i，S7-ai的高表达会导致携带S7-cp和S7-i的配子不育，从而导致胚胎败育［68］。

籼粳亚种间杂种雌性不育由3 个互补的基因组HSA1、HSA2和HSA3控制，分别位于第12、8、9 染色体。通过克隆发现HSA1基因座由两个相互作用的基因组成，即HSA1a和HSA1b，其中HSA1a-i编码一个特异性DUF1618 蛋白，HSA1b-i编码类核酸结合蛋白，但是在HSA1b-i/HSA1b-i的杂种中，携带HSA1a-j的雌配子败育从而导致籼粳杂种不育［69］。

水稻籼粳亚种或种间杂种不育由多个基因共同控制，水稻种间或亚种间50 多个杂种不育基因的定位、12 个不育座/组合的克隆及分子机理的揭示将对克服杂种不育、提高籼粳亚种间杂种F1的育性、亚种间杂种优势的利用奠定了良好的基础。

3.3 杂种不育的遗传模式分析

自20 世纪50 年代以来，众多遗传育种学家就亚种间杂种不育性和遗传机理进行了深入的研究。到目前为止，已提出了多种水稻籼粳杂种不育的基因作用模型，将栽培稻杂种不育基因作用模式归纳为单位点孢子体-配子体互作、重复隐性基因配子致死、互补孢子体不育和单座位孢子体不育4 种模式［70-71］。Ouyang 等［32］根据水稻杂种不育基因的功能和作用方式，提出3 种水稻杂种不育基因的演化模式，即平行演化模式（Parallel divergence model）、连续演化模式（Sequential divergence model）和平行-连续演化模 式（Parallel-sequential divergence model）。谢勇尧等［72］提出3 种杂种不育的分子遗传机制，分别为特定配子显性致死的遗传机制、特定配子选择性显性保护的遗传机制和重复隐性致死的遗传机制。单位点孢子体-配子体互作模型、非等位重复隐性基因致死模型可以解释大部分杂种不育现象。

单位点孢子体-配子体互作模式已被广泛用来解释杂种不育的现象。最早由Kitamura［70］提出，后被发展成为等位基因互作模型［41］，该模型假设在同一座位上籼稻和粳稻分别携带纯合的S-i和S-j等位基因，在杂种F1中该座位的基因型为S-i/S-j，且携带S-j等位基因的配子发生败育，从而使杂种F1表现为不育；而中性等位基因S-n与籼型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j杂交F1代均表现为正常育性。等位基因互作模式能较好地解释杂合不育座的等位基因互作导致携带粳型等位基因S-j的配子败育的遗传现象，目前已经鉴定的杂种不育基因大多数都符合单座位孢子体-配子体互作模式，已经克隆的12 个水稻杂种不育基因中有7 个位点S1、S5、S7、Sa、Sc、HSA1和qHMS7符合该模式［12］。如胚囊不育基因座S5存在3 个等位基因，分别为籼型等位基因S5-i、粳型等位基因S5-j和中性基因S5-n；而在杂种F1中，基因型为S5-i/S5-i、S5-j/S5-j、S5-n/S5-n、S5-n/S5-i和S5-n/S5-j的植株都为正常可育植株，而基因型为S5-i/S5-j的植株由于携带S5-j的配子败育表现为半不育［65］。花粉不育基因座Sa也存在3 种等位基因Sa-n（SaM+SaF-）、Sa-i（SaM+SaF+）和Sa-j（SaM-SaF-），同样符合等位基因互作模式［55］。

重复隐性基因配子体致死模式最先由Oka［71,73］提出，又称非等位基因互作不育理论，认为亚种间杂种不育性是由两组独立遗传的配子发育基因控制，杂种F1个体中同时带有两个不同座位隐性基因的配子败育。例如，S27/S28、DPL1/DPL2、DGS1/DGS23 对杂种不育基因座的作用机制都符合重复隐性基因配子致死模型［48-49,64］。例如，在杂种F1产生的雄配子中，只有同时携带DLP1-K-和DLP2-N-的花粉粒才不能正常萌发，从而导致杂种F1不育。

此外，籼粳亚种间杂种不育基因座的遗传效应具有叠加性，在同一个杂交组合中，多个不育基因座同时为杂合存在时引起的杂种F1败育程度更加严重。例如，相比于单个不育位点等位基因互作，基因型为SaiSajSbiSbj或SaiSajSbiSbjSciScj的杂种F1表现出更低的花粉育性［74］。

4 籼粳亚种间杂种不育性的克服及杂种优势利用

籼粳之间强大的杂种优势的利用是进一步提高水稻产量的一种有效途径，但是普遍存在的杂种不育的现象严重阻碍了亚种间杂种优势的利用。目前众多遗传育种学家已提出一些方法或策略用以克服籼粳杂种不育性，从而实现亚种间杂种优势的利用。

4.1 克服籼粳亚种间杂种不育性的有效途径

目前提高籼粳杂种的结实率的途径可归纳为4 种：（1）利用“籼粳架桥”培育亚种间渗入水稻；（2）利用广亲和基因培育广亲和系；（3）通过聚合籼型等位基因到粳稻品种中培育粳型亲籼系；（4）应用基因编辑等技术创制无功能的等位基因培育广亲和系。

4.1.1 籼粳架桥培育亚种间渗入水稻 亚种间渗入水稻，包括渗粳常规籼稻、渗籼常规粳稻、渗粳杂交籼稻和渗籼杂交粳稻［9］。早在20 世纪，杨振玉等［75］利用“籼粳架桥”育成C57 等渗籼的粳型恢复系。随后，童汉华等［76］通过人工杂交培育出偏籼型广亲和恢复系T2070，与籼型三系不育系配组，组合表现出显著的杂种优势。此外，我国第一大两系不育系广适性光温敏不育系Y58S 也是利用粳稻渗入籼稻的策略育成的，目前已组配了100多个组合。邓启云［77］利用“籼粳架桥”的育种方法培育亚种间渗入水稻在一定程度上提高了籼粳亚种间杂种F1 的结实率，打破了亚种间的生殖隔离，但是该方法具有局限性，只能部分利用籼稻和粳稻的丰富的种质资源，一定程度上限制了亚种间的杂种优势的利用。

4.1.2 利用广亲和基因培育广亲和系 广亲和品种和广亲和基因的发现为克服籼粳杂种不育提供了可能［41］。1979 年日本最早对广亲和材料进行系统筛选和选育，我国及国际水稻所也相继开展工作并取得了显著成效。育种家利用两系或者三系配法，选育了一大批广亲和系，如02428、培C311、轮回42 等。

目前已经鉴定的籼粳杂种不育基因大多数都符合等位基因互作模式，中性等位基因S-n与籼型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j杂交F1代均表现为正常育性。多项研究表明杂种不育基因座S5的S5-n等位基因具有广亲和性，能够与S5-i籼型等位基因以及S5-j粳型等位基因结合产生具有正常胚囊育性的杂种F1代［65-66,78-79］。目前一系列杂种不育位点的中性基因如Sa-n、Sb-n、Sc-n 等被挖掘出来［80-82］，这些广亲和基因的利用有利于籼粳亚种间杂种不育性的克服。

此后，Ouyang 等［42］提出将多个广亲和基因聚合到一个优良品种中，培育超级广亲和品系WCLs，通过优良的亲本杂交可以获得具有强大杂种优势且育性正常的杂交植株，从而实现了克服亚种间杂种不育性的设想。张桂权［9］提出利用杂种不育基因座位的S-n等位基因替代籼稻中的S-i等位基因，培育“籼型广亲和系”，或替代粳稻中的S-j等位基因，培育“粳型广亲和系”，解决籼粳亚种间杂种F1结实率低的问题。根据杂种不育基因遗传效应的叠加性，多个广亲和基因的聚合可以很大程度提高籼粳亚种间杂种F1的结实率。例如，相比与杂交亲本具有单个广亲和性基因的，基因型为SaiSanSbiSbnSciScn或SbjSbnSdjSdnSejSen的杂种F1 的花粉育性得到很大程度的提高［83-84］。Guo［53,79］等发现籼粳亚种间杂种不育性主要受花粉不育基因座Sb、Sc、Sd和Se 以及胚囊不育基因座S5控制。

Mi 等［85］在籼稻品种9311 中聚合了胚囊不育基因座S5的中性等位基因S5-n 和花粉不育基因座f5的中型等位基因f5-n，将其与粳稻测交能够提高籼粳杂种F1的小穗育性，培育出的恢复系组配的部分籼粳杂交组合的结实率可以达到生产应用水平。Ma 等［86］在籼稻品种9311 中聚合S5、f5、S32、Sa基因的中性等位基因，与粳稻测交能够提高杂种F131.4%～55.0%的小穗育性。Guo 等［79］通过聚合育种培育出华粳籼74 广亲和系，在5 个杂种不育座位S5、Sb、Sc、Sd和Se都携带S-n基因，与籼稻和粳稻测验种杂交的F1花粉育性和小穗育性都表现为基本正常，表明了华粳籼74 广亲和系对籼稻和粳稻测验种都具有亲和性，可以用来克服籼粳亚种间杂种不育性。

4.1.3 聚合育种创制粳型亲籼系 张桂权等［87-88］在“特异亲和”的理论基础上首次提出通过培育粳型亲籼系（Indica-compatible japonica line，ICJL）,在此基础上又提出“粳型亲籼系的分子育种”这一概念，即利用分子标记辅助选择技术将多个杂种不育基因座位上携带的S-i基因聚合到同一粳型品系中选育出粳型亲籼系，同时也将更多的抗虫、抗病和育性恢复基因聚合到所创建的粳型亲籼系中，从而培育出携带更多优良基因的、具有更多优良性状的粳型亲籼系。

Chen 等［89］利用分子标记辅助选择，在粳稻镇稻88 的4 个雌性不育基因座上导入籼稻片段，同时也导入了籼稻中的光温敏不育基因以及黄叶形态标记，选育出粳型亲籼光温敏不育系509S。Guo 等［53］利用分子标记辅助选择将Sb、Sc、Sd和Se座的S-i基因和S5座的S5-n等位基因聚合到粳稻品种中，培育出粳型亲籼系，该材料对粳稻完全不亲和，而对籼稻具有亲和性，能够和籼稻测验种杂交产生具有正常育性的后代，能够有效克服籼粳亚种间杂种不育性。此外，也可将恢复基因RF3和RF4导入到所获得粳型亲籼系中，培育出粳型亲籼恢复系，应用于三系育种，从而培育出具有强杂种优势的杂交种。

4.1.4 基因编辑创制广亲和系 随着现代生物育种技术的发展，越来越多的杂种不育座位被鉴定、克隆，在利用自然界已有的种质资源的同时，可应用CRISPR/Cas9 基因编辑技术可以在已知的杂交不育基因座快速产生无功能的等位基因，从而加快广亲和系的培育。如通过敲除Sc座位的Sc-i拷贝中的一个或两个，减少Sc-i的基因剂量，从而恢复Sc-j的正常表达，创制出Sc-n等位基因［90］；或应用CRISPR/Cas9 方法对Sa基因座两个基因SaF和SaM进行编辑，快速创建Sa-n等位基因［91］。此外，也可利用基因编辑技术将培育的广亲和系的光温敏基因进行定点编辑，能够快速育成广亲和不育系。因此，应用基因编辑技术定点编辑杂种不育座位，能够快速有效地克服籼粳亚种间的杂种不育性。

4.2 籼粳亚种间杂种优势的应用

目前，我国半矮杆水稻和种内杂交水稻已取得重大成就［92-94］，为了进一步提升水稻的产量潜力，随着籼粳亚种间杂种不育性的克服，我国杂交水稻育种正在从品种间杂种优势利用逐渐迈向亚种间的杂种优势利用，籼粳亚种间杂交水稻作为5G 水稻已经逐步走向市场，实现产业化。

三系法和两系法是实现籼粳杂种优势利用的重要途径，其中两系法配组自由，可以摆脱恢保关系的限制，目前已经广泛应用在籼粳杂交育种方面。例如，利用广亲和基因与两系光温敏不育系配成两优培9、Y 两优1 号、Y 两优2 号等杂交组合，F1表现出显著超亲优势［95］；邢运高等［31］以广亲和两系不育系9311S 为母本，粳稻品种为父本，配置两系杂交组合，杂种F1在穗长、粒数、粒重等方面表现出显著优势。

三系法则是利用籼型或粳型雄性不育系与粳型或者籼型恢复系配组，形成“籼不粳恢”、“粳不籼恢”的杂交配组模式。目前已培育了一些籼粳亚种间的杂交品种湘两优900、江两优7901、“甬优系列”和“春优系列”等［96-99］，在生产上体现了更强的产量优势。近几年，广东省植物分子育种重点实验室通过聚合育种，将广亲和基因导入优良的恢复系，培育一批籼型广亲和恢复系，对粳型不育系具有亲和性，与其测交的杂种F1表现为正常结实率，并表现出强大的杂种优势和很大的产量潜力，在生产上将具有很好的应用前景。

5 展望

籼稻和粳稻是亚洲栽培稻的两个亚种，两者在形态学、生理学以及基因水平上存在显著性差异，亚种间的遗传差异将会产生强大的杂种优势，能够进一步提高我国水稻的产量。近年来，杂种优势的利用也逐渐从籼粳亚种内过渡为亚种间，籼粳亚种间杂交水稻逐步走向市场，这是水稻发展的必然，势在必行。但是，籼粳亚种间杂种不育性严重阻碍了杂种优势的利用。亚种间杂种不育性是非常复杂的，目前已鉴定了50 多个杂种不育基因或QTL，克隆了12 个杂种不育基因，并阐明该基因的分子机理。大多数基因符合等位基因互作模式，广亲和基因S-n与籼型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j杂交F1代均表现为正常育性，目前一系列杂种不育位点的广亲和基因等被挖掘出来，这些广亲和基因的利用有利于籼粳亚种间杂种不育性的克服。根据已克隆的基因及分子机理，以及对广亲和基因的深入认识，提出了利用籼粳架桥培育亚种间渗入水稻，聚合育种培育广亲和系和粳型亲籼系，以及应用基因编辑等技术创制广亲和系等途径，克服籼粳亚种间杂种不育性，精准化改良籼粳杂种的结实率，从而实现了亚种间杂种优势的利用。但是，亚种间杂交水稻的产业化还需要解决多方面问题，如杂种F1株高偏高、生育期短、米质较差、杂交种制种产量低等问题。总之，籼粳亚种间杂交水稻的推广应用，将会实现亚种间强大杂种优势的利用，提高水稻的产量潜力，推动水稻产业的又一次重大变革。