水稻雄性不育系自交結(jié)實(shí)的遺傳分析

水稻雄性不育系自交結(jié)實(shí)的遺傳分析

1自交粘結(jié)試驗(yàn)在混合水稻“三種水稻”的繁殖和育種過程中，雄性非育系統(tǒng)的自交和成熟通常是不同程度的。在大多數(shù)情況下，它相對(duì)較小，并有相當(dāng)大的例子。如四川省峨媚縣農(nóng)科所于1981年對(duì)野敗型不育系珍汕97A進(jìn)行自交試驗(yàn),套袋100株200穗,實(shí)得96株152穗,其中結(jié)實(shí)株占37.5%,結(jié)實(shí)穗占28.9%。據(jù)郭道強(qiáng)1986年9月調(diào)查,少數(shù)田塊的當(dāng)選晚2號(hào)A不育系中有31.5的%自交結(jié)實(shí)株。在生產(chǎn)上,如果不育系的自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象達(dá)到一定的程度,就會(huì)嚴(yán)重降低雜交種子的純度,造成雜交稻產(chǎn)量的下降。因而不育系的自交結(jié)實(shí)問題,一直是雜交稻“三系”繁殖和制種工作中的一個(gè)重要課題。但是,由于育種工作者對(duì)雄性不育機(jī)理和遺傳實(shí)質(zhì)的認(rèn)識(shí)很不一致,因此也影響了對(duì)此問題的正確處理。本文就國(guó)內(nèi)近期研究進(jìn)展,對(duì)水稻雄性不育系的自交結(jié)實(shí)問題進(jìn)行初步的分析和探討。2型育質(zhì)型不含外生型不屬出現(xiàn)目前生產(chǎn)上應(yīng)用的水稻雄性不育系,無論秈型粳型,都屬質(zhì)核互作型不育系,其中應(yīng)用最為廣泛的秈型不育系為野敗型不育系,粳型不育系為BT型不育系。它們都是通過遠(yuǎn)緣雜交選育而來,對(duì)質(zhì)核互作型不育系的保持和恢復(fù)有一定的特異性。首先對(duì)某一不育系而言,對(duì)其保持或恢復(fù)的品種都是確定的;但對(duì)某一不育系具有恢復(fù)能力的品種,對(duì)另外一類不育系可能具有保持能力。例如IR24對(duì)于野敗型不育系是恢復(fù)的,而對(duì)于紅蓮型卻是保持的。相反,珍汕97A對(duì)野敗型不育系是保持的,而對(duì)紅蓮型則是恢復(fù)的3環(huán)境條件的影響生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的水稻雄性不育系,都是經(jīng)過嚴(yán)格選擇的。由于恢、保關(guān)系的特異性被破壞而造成的部分自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象,在一般情況下是不多見的。但有時(shí)由于環(huán)境條件的影響,尤其是溫度和日照條件的變化,常會(huì)使一些本來表現(xiàn)穩(wěn)定的不育系,出現(xiàn)部分或極少數(shù)的自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象。最突出的事例是湖北光敏感核不育系(由石明松同志在農(nóng)墾58中發(fā)現(xiàn)的不育株),幼穗分化處于每天13小時(shí)以上光照時(shí),表現(xiàn)全部不育;而在每天12.5～13小時(shí)以下光照條件下,又表現(xiàn)完全可育4回復(fù)突變的可能性以上從遺傳型及其環(huán)境兩個(gè)方面分析了不育系的自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象,是否還存在著遺傳變異的因素呢?這是多年來爭(zhēng)論較多的一個(gè)問題。不少人曾用基因的回復(fù)突變、細(xì)胞質(zhì)雜交以及質(zhì)核多代共處而產(chǎn)生自然適應(yīng)等原因來解釋某些不育系所產(chǎn)生的自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象。然而,在目前的研究水平下,要肯定或否定這種遺傳變異的可能性都是十分困難的。從理論上講,這些遺傳變異都是可能發(fā)生的,有的還有一些間接的實(shí)驗(yàn)依據(jù),但在實(shí)踐上卻非常難以鑒別。因此,與其反復(fù)爭(zhēng)論有無這些遺傳變異的可能性,倒不如分析一下這種可能性是否大到足以產(chǎn)生明顯影響的程度。1980年前后,我國(guó)秈型雜交稻的“三系”原種生產(chǎn)技術(shù),都采用以“回復(fù)突變”為主要理論指導(dǎo)的配套提純法。持這種觀點(diǎn)的研究者認(rèn)為,雜交稻的退化主要是“三系”自身的變異,而不育系產(chǎn)生自交結(jié)實(shí)的問題,主要是核內(nèi)不育基因的回復(fù)突變所致。可是,眾所周知,基因突變的頻率大多是極低的。而不育系的所謂回復(fù)突變,即使可能產(chǎn)生,由于保持系的連續(xù)回交,也難以在群體中增多起來。而且不育系主要用于制種,用于繁殖的僅是一小部分,少量的突變也會(huì)因隨機(jī)漂移而趨向消失。所以,突變不可能是不育系普遍產(chǎn)生自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象的重要原因。在被子植物受精過程中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有一些精細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入卵細(xì)胞的現(xiàn)象質(zhì)核自然適應(yīng)的觀點(diǎn),是從質(zhì)核間的協(xié)調(diào)關(guān)系來解釋的。有人認(rèn)為,不育系之所以表現(xiàn)不育,是因?yàn)榧?xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間在遺傳或生理上的不協(xié)調(diào)而造成的。但當(dāng)不育系經(jīng)過多代繁殖后,這種原來不協(xié)調(diào)的質(zhì)核關(guān)系可能自然適應(yīng),即相互逐漸協(xié)調(diào)起來,從而造成不育性的喪失,產(chǎn)生自交結(jié)實(shí)5直接生物學(xué)混雜及其連鎖反應(yīng)以上各節(jié)對(duì)不育系自交結(jié)實(shí)的分析,都是假定不育系處在閉鎖的條件之下,即不發(fā)生基因遷移為前提的,但在實(shí)際生產(chǎn)中,很難完全做到這一點(diǎn)。在不育系的繁殖過程中,機(jī)械混雜和生物學(xué)混雜幾乎是不可避免的。1983～1984兩年,國(guó)家種子總站曾委托湖南省賀家山原種場(chǎng)和石門農(nóng)場(chǎng),對(duì)南方7個(gè)省3個(gè)野敗型不育系的13個(gè)原種樣品進(jìn)行田間種植鑒定,結(jié)果只有一份材料的純度為100%,其余樣品全有保持系混入其中。江蘇省種子公司最近兩年對(duì)本省繁殖的不育系進(jìn)行田間種植鑒定,不育系中雜株依然以保持系占絕大多數(shù)。BT型不育系沒有包頸現(xiàn)象,和保持系的外形幾乎完全相同,生育期又一樣,很難在母本行中將混入的保持系除去,所以機(jī)械混雜的可能性比野敗型不育系要嚴(yán)重得多。不育系中發(fā)生保持系的機(jī)械混雜,雜交稻中就會(huì)產(chǎn)生大量不育株和保持系植株,對(duì)這個(gè)問題,目前已不存在爭(zhēng)議了。但對(duì)不育系繁殖過程中,直接的生物學(xué)混雜及其連鎖反應(yīng),還沒有引起人們的高度警覺。在不少研究報(bào)告中,都首先申明自己的試驗(yàn)材料是處在嚴(yán)格的隔離條件之下,但仔細(xì)讀來,這些所謂嚴(yán)格隔離的條件卻常常很不嚴(yán)格。有的空間隔離距離只有一二百米,有的只采用兩米高的圍墻隔離,有的將不育系放到玉米地里,有的將不育系擱到住房的陽(yáng)臺(tái)上等等。根據(jù)江蘇省湖西農(nóng)場(chǎng)農(nóng)科所研究,在四五級(jí)風(fēng)的情況下,同期開花的水稻花粉,可以使600米以外的不育系少量結(jié)實(shí);在700米處,還可以用玻片捕捉到水稻花粉。1985年江蘇省建湖縣慶豐農(nóng)科站發(fā)現(xiàn),相距近一公里的粳稻田花粉,使秈型制種田后代出現(xiàn)了最高達(dá)1.5%的大青棵植株。此外,兩米高的屏障隔離的可靠性也早已被眾多的良種繁育單位所否定。從生產(chǎn)中實(shí)際情況來看,不育系的繁殖田總是和制種田或雜交稻大田同時(shí)存在,只是空間距離和花期間隔的長(zhǎng)短不同而已,而一旦制種田恢復(fù)系或雜交稻的花粉串入不育系繁殖田內(nèi),就會(huì)產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)。就BT型不育系來說,由于是配子體不育,雜交稻的可育花粉都有恢復(fù)基因。與恢復(fù)系一樣,當(dāng)不育系接受了具恢復(fù)基因的花粉后,后代即表現(xiàn)自交結(jié)實(shí)。這些種子長(zhǎng)成植株后,一方面繼續(xù)自交,并發(fā)生分離;一方面又散發(fā)具有恢復(fù)基因的花粉,繼續(xù)與周圍的不育系回交。由于BT型不育系沒有包頸現(xiàn)象,北方大多數(shù)組合父母本的生育期、株高差異較小,故分離的植株不易去除,而且雜株的開花期和不育系接近。所以一旦發(fā)生生物學(xué)混雜,經(jīng)過幾代繁殖,就會(huì)產(chǎn)生各種自交分離植株和連續(xù)回交植株。這時(shí)不育系群體中就會(huì)出現(xiàn)自交結(jié)實(shí)率和外觀均有差異的不同類型,也有幾乎同不育系完全相象的“同質(zhì)恢復(fù)系”。有的自交結(jié)實(shí)株尚處于分離世代,有的則已穩(wěn)定。野敗型不育系的情況和BT型不育系相似,但嚴(yán)重性要小得多。這是因?yàn)橐皵⌒筒挥凳擎咦芋w不育,雜交稻花粉中有一半具不育基因,僅由雜交稻花粉產(chǎn)生的生物學(xué)混雜,其后代無論是自交還是與不育系回交,都會(huì)分離出一些完全不育的植株。更主要的是秈型雜交稻大多數(shù)組合,雙親的生育期和株高相差較大,不育系在繁殖過程中如果受到恢復(fù)系或雜交稻串粉,后代就分離出許多較遲熟的類型,他們同不育系花期不遇;而且不育系有明顯的包頸標(biāo)記,雜株容易發(fā)現(xiàn),容易去除,只有少數(shù)早熟的雜株能夠自交結(jié)實(shí)或繼續(xù)與不育系回交,其比例自然大大減小。但如果不注意原種生產(chǎn)和防雜保純工作,野敗型不育系也同樣會(huì)出現(xiàn)“同質(zhì)恢復(fù)系”的變異類型,即一般所稱的AB株類型。6對(duì)花培珍汕的誘導(dǎo)變異花藥培養(yǎng)的原來意圖是通過花粉誘導(dǎo)愈傷組織,進(jìn)而形成經(jīng)自然加倍而來的綠苗,從而獲得遺傳上高度純合的材料。但實(shí)際情況并非完全如此。用花藥培養(yǎng)方法獲得的花培二倍體植株,很難判斷是單倍體(花粉粒)誘導(dǎo)加倍而來,還是二倍體(花藥壁)直接培養(yǎng)而來,其純合度是否有了提高難以肯定。而花培的誘變作用卻常使原來的不育系發(fā)生一些無法控制的變異。江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)科所用花藥培養(yǎng)技術(shù)選出的珍汕97A,1986年在東海、沭陽(yáng)、寶應(yīng)、金湖、六合、丹陽(yáng)等縣制種都表現(xiàn)比原來的珍汕97A減產(chǎn),平均每畝少收40～50kg。1987年高郵縣采用比較嚴(yán)密的試驗(yàn)設(shè)計(jì),用趨勢(shì)比較法進(jìn)行分析,結(jié)果也是花培珍汕97A制種顯著減產(chǎn)。根據(jù)揚(yáng)州市1987年聯(lián)合區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果,花培珍汕97A配制的花汕優(yōu)63與普通的汕優(yōu)63相比,平均畝產(chǎn)只相差0.8kg,可見花培珍汕97A的配合力無多大變化,而異交結(jié)實(shí)的性狀可能變壞了。當(dāng)然,水稻單?；ǚ叟囵B(yǎng)成苗的技術(shù)今后很可能成功,但將它應(yīng)用于不育系的提純上仍然需要謹(jǐn)慎從事。任何作物的良種繁育工作都要考慮保持品種群體的遺傳基礎(chǔ),將一個(gè)不育系的遺傳傳遞局限于一?；ǚ壑?這種指導(dǎo)思想是不足取的,更何況花培會(huì)誘發(fā)變異,更不能作為良種繁育的一般程序。7生物學(xué)混雜是誘發(fā)自交粘結(jié)的誘發(fā)因素在一般情況下表現(xiàn)穩(wěn)定的質(zhì)核互作不育系,而在某種環(huán)境條件下,出現(xiàn)部分自交結(jié)實(shí),是該不育系特定遺傳型在不同環(huán)境條件下的一種反應(yīng)。它和質(zhì)核間特異的互作關(guān)系被破壞而造成的部分自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象的區(qū)別在于:前者是在特殊的氣候條件下出現(xiàn)的,帶有偶然性;而后者是在一般氣候條件下發(fā)生的,帶有普遍性。深入研究水稻雄性不育系對(duì)環(huán)境條件的種種反應(yīng),不但有利于不育系的選育、評(píng)價(jià)、利用和進(jìn)一步改良,而且對(duì)于揭示雄性不育的機(jī)理,了解基因作用的調(diào)控和表達(dá)等方面,都將是十分有益的?；貜?fù)突變、胞質(zhì)雜交及質(zhì)核的自然適應(yīng)等理論都不能說明生產(chǎn)上常常出現(xiàn)不育系高比例的自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象,生物學(xué)混雜才是造成這一現(xiàn)象最普遍最嚴(yán)重的誘發(fā)因素。生物學(xué)混雜具有時(shí)間和地點(diǎn)上的突發(fā)性,又有相當(dāng)嚴(yán)重的延續(xù)性。筆者從10年的研究和實(shí)際工作中體會(huì)到,要是低估了生物學(xué)混雜的嚴(yán)重性,就會(huì)受到毫不留情的懲罰。要提高雜交稻種子的純度,必須控制不育系的自交結(jié)實(shí)。由上所述,引起不育系自交結(jié)實(shí)的原因有所不同,其表現(xiàn)特點(diǎn)也不完全一樣。一般來說,由特異的質(zhì)核關(guān)系所造成的自交結(jié)實(shí)現(xiàn)象,在常用不育系中出現(xiàn)的頻率都是比較低的,而且在各個(gè)植株上隨機(jī)出現(xiàn);完全自交不實(shí)的單株后代,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量自交結(jié)實(shí),而在下一代可能又成為完全不育,通常的單株選擇成對(duì)測(cè)交大多是無效的。在異常的氣候條件下,這類自交結(jié)實(shí)的比例可能較大幅度地上升,但它沒有延續(xù)和積累的特點(diǎn)。只要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件,對(duì)繁殖、制種的季節(jié)作適當(dāng)調(diào)整,也不會(huì)出現(xiàn)多大的不利影響。保持系是長(zhǎng)期自交的水稻品種,不育系是經(jīng)保持系連續(xù)回交而繁殖的,這一種遺傳結(jié)構(gòu)本身完全可以維持水稻不育系的高度穩(wěn)定。與別的農(nóng)作物一樣,不育系的繁育工作還要遵循“起點(diǎn)要高,防雜要嚴(yán),數(shù)量要大,世代要短,程序要簡(jiǎn)”的方針。所謂起點(diǎn)要高,是指引進(jìn)高質(zhì)量的原種種子作為繁育的基礎(chǔ)材料,而不要在混雜退化的群體中去重新提純。防雜保純工作要貫穿于繁殖工作的全過程,特別是安全隔離問題,要掌握布局控制為前提,空間隔離和時(shí)間隔離相結(jié)合的原則。我們?cè)诎才耪渖?7A、威20A和