中国杂交水稻和水稻分子育种研究与发展概况

收稿日期：２００９—１１—１２
见远缘基因的引人和利用对杂交水稻的成功是重要的 遗传物质基础。 三系杂交水稻恢复系的选育过程是利用了国际水 稻研究所选育的水稻品种ＩＲ８、ＩＲ２４等为代表的一系 列品种或其衍生系作为父本，从而配制出具有强优势 的杂交水稻组合。我国杂交水稻推广面积最大、时间最 久的杂交稻组合汕优６３的恢复系明恢６３就有国际水 稻研究所选育的水稻品种ＩＲ３０的亲缘；我国杂交水稻 早期推广的强优杂交水稻组合南优２号的恢复系也是 国际水稻研究所的ＩＲ２４；还有我国广泛应用的其他杂 交水稻强优组合汕优３号（珍汕９７Ａ／ＩＲ６６１）、汕优８号 （珍汕９７Ａ／ＩＲ２８）、威优６号（Ｖ２０Ａ／ＩＲ２６）、威优３０号 （Ｖ２０Ａ／ＩＲ３０）等都是以国际水稻研究所选育的水稻 品种作为恢复系品种的［４】。王三良、阳峰萍等对我国
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中国杂交水稻和水稻分子育种研究与发展概况
万昕，李海林，罗斌，徐庆国。
（湖南农业大学农学院，长沙４１０１２８） 摘要：总结回顾了中国杂交水稻和水稻分子育种的发展历程，提出了我国杂交水稻和水稻分子育种技术相结合的途径， 指出了今后我国杂交水稻和水稻分子育种工作的发展前景。 关键词：杂交水稻；分子育种；中国 中图分类号：Ｓ５１１．０３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—５２８０（２００９）０５—０３０６—０４
２水稻分子育种研究概况
１９７４年，中国科学院上海生化研究所周光宇教授 创造出植物分子育种的理论（植物分子杂交理论）和技 术（花粉管通道法）。之后，她本人和许多农业科技工作 者在棉花、小麦、大豆、蔬菜等农作物上进行了分子育 种的实践和理论探讨，培育出了一大批农作物新品种。 １９８９年湖南农业大学万文举用“外源ＤＮＡ溶液浸胚 法”将慈利玉米ＤＮＡ导入水稻品种湘早籼８号，于 １９９０年获得变异株［１副，１９９１年选出系列水稻品系，其 中水稻品系ＧＥＲ一１于１９９３年通过鉴定，１９９４，－－－，１９９５ 年种植面积达１４万公顷［３］。湖南省慈利县水稻研究所
作者简介：万听（１９７３一），男，湖南长沙人，硕士研究生。 ＊通讯作者。
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万方数据
２００９年第２３卷第５期
作物研究
“八五”期间和“九五”期间育成的８０个新恢复系进行 研究，结果表明，有８０％以上的恢复系是来自ＩＲ系列 品种或者它们的衍生品种［５］。这些杂交水稻强优组合 选育的成功事例都说明了远缘杂交（地理上远缘）促进 了杂交水稻的成功与发展。 我国杂交粳稻研究始于１９６５年。当时云南农业大 学李铮友在粳稻台北８号中发现天然杂交不育株，后 来育成红帽缨粳稻不育系。至今，已经育成了１００个以 上的粳稻不育系［６］。但是，在我国粳稻种植面积中，仍
以常规粳稻为主，杂交粳稻的种植面积只占３孵利。杂
交粳稻发展缓慢的主要原因是粳稻中恢复系极其匮 乏。其次是不育系遗传基础较为单一，多来自于ＢＴ型 粳稻不育系亲缘。 １．２两系杂交水稻与超级稻 我国水稻育种家石明松１９７３年在湖北沔阳沙湖 农场农垦５８大田中发现了３株不育株，随后由湖北省 农业科学院和武汉大学等单位通过自然分期播种发现 它们具有长日不育、短日可育特性。石明松于１９８１年 基于这种雄性不育特性提出长日高温下制种，短日低 温下繁殖的“一系两用”利用水稻杂种优势的设想，由 此拉开了我国两系法杂交稻全面发展的序幕［８］。经过 专家们多年的研究，培育出了培矮６４Ｓ为代表的一批 两系不育系，如Ｙ５８Ｓ，Ｃ８１５Ｓ，培矮８８Ｓ等［９订０￣”］，并且 配制出以两优培九为代表的一批高产两系杂交水稻组 合，在我国大面积推广应用。 两系杂交稻的不育系和杂交组合（Ｆ。）的育性表现 存在着不稳定性。这种不稳定在杂交水稻生产中也常
１杂交水稻发展概况
１．Ｉ三系杂交水稻 湖南省水稻杂种优势利用协作组于１９７１年春用 野败原始株与早籼水稻品种６０４４杂交，从其杂种Ｆ。中 选择不育株，１９７１年冬又以二九南１号为父本杂交， １９７３年育成二九南１号不育系和保持系，并与引自 ＩＲＲＩ的水稻品种ＩＲ２４配组育成强优势杂交水稻组合 南优２号‘“，成为我国第一个三系配套的杂交水稻。 与此同时，颜龙安等人于１９７１年以“野败”为母 本，早籼水稻品种珍汕９７为父本，通过杂交和回交，于
与湖南农业大学合作，选育了系列优良水稻品种和杂
交稻组合，其中“湘中糯１号”、“矮两优慈４”等２个水稻 品种（组合）已经分别通过了湖南省农作物品种审 定Ｅ引。万文举通过分子育种途径育成了营养保健型水 稻品种“红宝石”。“红宝石”稻米于２００７年申请专利， 于２００８年获得了国家专利证书。“红宝石”稻米的铁、 钙、锌、维生素Ｃ、ＶＢ，、赖氨酸的含量均高于其它水稻 品种中的含量［１
做出了许多成果。王忠华等［２７３利用已建立的水稻抗稻 瘟病基因ｐｉ４ａ显性分子标记对３５０个杂交Ｆ。代株系 进行筛选，获得了１１８个抗病基因ｐｉ—ｔａ纯合株系。陈 学伟等［２８］也做了类似工作。这种育种方法，用来创造 新的抗病恢复系是有效的。 周海鹏等［２９］用分子标记辅助育种，将抗稻瘟病基 因ｐｉ２５转移到高产恢复系９３０３和３—１１中，筛选出了 ２０个ｐｉ２５基因和恢复基因纯合株系，可作为新的抗 稻瘟病恢复系。 邓其明［３０］通过分子标记辅助育种，将抗白叶枯病 基因Ｘａ２１和Ｘａ４转移到恢复系绵恢７２５中，经过抗病 性鉴定，筛选出了抗白叶枯病的新恢复系蜀恢２０７。郑 家团等［３¨、李进波等嘞１则采用该育种方法，对优良恢 复系９３１１和１８２６进行抗病性改进，将抗自叶枯病基因 Ｘａ２３转移到９３１１和１８２６恢复系中，已育成了３个抗 白叶枯病新恢复系。在改造感病恢复系ＨＫ０１后，也育 成抗白叶枯病的新恢复系。 综上所述，分子标记辅助育种是创造抗病恢复系 的有效方法，说明水稻分子育种能与杂交水稻育种相 结合。 在抗虫育种方面，张启军等［３３］是采用根癌农杆菌 介导法将抗虫基因ｓｂｋ和ｓｃｋ同时导入粳稻品种ＹＪ２７ 选４－１，武迸２１０３和１０－１中，其结果是获得了２０株转基 因植株含有这２个抗虫基因（ｓｂｋ和ｓｃｋ），但在报道中 未说明是否已培育出抗虫新品系。杨子贤等［３妇用分子 标记辅助选择改良恢复系９３—１１对白叶枯病和螟虫的 抗性，即利用常规回交育种方法并结合分子标记辅助 选择，将抗白叶枯病Ｘａ２１基因和抗虫Ｂｔ基因导人９３— １１，后代两个家系有望成为抗白叶枯病和抗螟虫的新 恢复性。这进一步说明水稻分子育种能与杂交水稻育 种相结合。 ３．１．２抗逆性育种趋势 水稻分子育种技术，能用于提高水稻抗逆性，如耐 旱性、耐盐性、耐高温、低温等，将会形成新趋势。 我国有大面积的盐碱地和沿海滩地，培育耐盐水 稻品种前景广阔。在这方面，郭龙彪、陈受宜、黄大年等 应用农杆菌介导法和基因枪法将ＣＭＤ，ＢＡＤＨ， ｍｔｌＤ，ｇｕｔＤ和ＳＡＭＤＣ基因以单价或双价的形式导 入水稻常规品种秀水１１、中花１１、特青和明恢６３中，获 得了能耐０．５％～１．Ｏ％ＮａＣｌ的Ｔ秀水１１一品３、品６和 品７等优良单株或中间材料［３引。但尚未育成耐盐品种， 不过离这一目标已经不远了。 笔者进行了多年的水稻耐旱分子育种研究，育成 的培两优慈４已经通过湖南省品种审定，在张家界山
７。。
启发等人的研究，其结果是光敏不育基因（ｐｒｏｓ），在第
３，５，７，１２号染色体上，找到相应的基因位点Ｅ１３】。而温 敏不育基因（ｔｉｎｓ）定位的研究，结果将８个温敏不育基 因（ｔｉｎｓ）各自定位在８，７，６，２，２，５，９和１０号染色体 上［１引。这些研究表明，控制两系杂交稻的光敏不育基 因和温敏不育基因，共有１２个，是微效多基因控制的 数量性状，易受环境条件的影响。所以，在水稻生产中 常有不稳定的情况发生。 １９８０年日本制定了水稻超高产育种计划，要求１５ 年内育成比原有品种增产５０％的超高产品种。后来虽
现了第二期目标。据农业部统计，至２００６年底共有４９
个水稻品种和杂交稻组合被认定为超级稻，其中，常规 稻品种１４个，杂交稻组合３５个［１５’１６］。在超级杂交稻中， 不育系中９Ａ，中浙Ａ，Ｑ２Ａ，培矮６４Ｓ，Ｃ８１５Ｓ，Ｐ８８Ｓ， Ｙ５８Ｓ起了重要作用，恢复系９３１１，Ｑ６１１，蜀恢５２７，明 恢８６等起了重要作用，其中蜀恢５２７已配制出５个农 业部认定的超级稻组合，明恢８６及其衍生恢复系（航１ 号）配制出４个通过农业部认定的超级稻组合［１副。９３１１ 与培矮６４Ｓ配制的杂交稻组合“两优培九”在我国南方 稻区推广面积最大。目前正向超级稻育种第三期目标 顺利进军。
１９７３年育成优良杂交水稻不育系珍汕９７Ａ和保持系 珍汕９７Ｂ。该不育系是２０世纪８０年代至９０年代我国使 用面积最大的杂交水稻不育系［４］。 湖南省贺家山原种场于１９７３年育成杂交水稻不 育系Ｖ２０Ａ和同型保持系Ｖ２０Ｂ，也是全国推广面积最 大的杂交水稻不育系之一［４］。 红莲细胞质的杂交水稻不育系统称为红莲型不育 系“］。红莲细胞质杂交水稻不育系是武汉大学遗传研 究室以海南红芒野生稻为母本，早籼水稻品种莲塘早 为父本杂交、回交筛选出来的。后由广东省农科院转育 成粤泰Ａ，Ｂ和２００７年审定定名的珞红３号Ａ，Ｂ（武汉 大学生命科学学院育成）均属于此类型。 湖南省杂交水稻研究中心张惠莲从水稻品种印尼 水田谷６号群体中选择出不育株，以此为亲本，经杂 交、回交育成了杂交水稻不育系Ⅱ一３２Ａ和保持系Ⅱ一 ３２Ｂ。Ｉ一３２Ａ是我国杂交水稻中重要的不育系之一。 三系杂交水稻不育系的育成是在研究过程中利用 了亲缘远缘和地理上远缘的细胞质基因而育成的，可
杂交水稻和植物分子育种是我国科技工作者对我 国农业生产做出的巨大贡献。袁隆平１９６４年开始从洞 庭湖早籼、胜利籼、矮脚南特等水稻品种群体中发现雄 性不育株，从此揭开了中国杂交水稻研究的序幕ｎ］。 １９７３年中国籼型杂交水稻实现三系配套，１９７５年开始 在生产上大面积推广应用。１９７６年全国杂交水稻种植 面积为１４万公顷，１９７９年达到５０６．６６万公顷，１９８３年 为７４９．３３万公顷，１９８７年为１ ０９５．９３万公顷，１９８８年 上升到１ ２６６．６７万公顷，发展速度之快，在中国农作物 良种推广史上是罕见的［２］。１９８７年袁隆平提出杂交水 稻育种发展的战略设想，在选育方法上提出从三系、两 系到一系；在杂交优势利用水平上，提出从品种间、亚 种间到远缘杂种优势利用。水稻分子育种发展较晚，万 文举于１９８９年用“外源ＤＮＡ溶液浸胚法”将玉米ＤＮＡ 导入水稻，经多代选择，培育出系列稳定品种，其中水 稻品种ＧＥＲ一１于１９９３年通过鉴定，１９９４＂－＂１９９５年种 植面积达１４万公顷［３］。
黑龙江省农科院应用总体ＤＮＡ导人法将玉米 ＤＮＡ导入粳稻后，培育出粳稻新品种龙粳１４号和龙 粳１６号。仅龙粳１４号在２００７年一年推广种植面积就
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达到３３．５万公顷，成为黑龙江省有史以来自育水稻品 种中唯一年种植面积突破３３．３万公顷大关的水稻品 种［１ ８’”］。赵炳然将稗草和小粒野生稻ＤＮＡ导入水稻 后，培育出了杂交稻不育系资１００Ａ和恢复系湘恢２９９ 及ＲＢ２０７—１［２０，２１．］。 在分子育种过程中，分子验证（ＤＮＡ分子检测）是 一项重要的工作，它能证明外源ＤＮＡ片段是否导入受 体细胞中，并能在后代中遗传下去。在这方面，赵炳 然［２２１曾经将小粒野生稻的ＤＮＡ通过穗茎注射法，导 入水稻Ｖ２０Ｂ细胞中，并在其稳定的后代品系（野威Ｂ） 中通过ＰＣＲ，ＲＡＰＤ技术，检出了供体小粒野生稻的特 异片段。王才林等［２３］用花粉管通道法将慈菇蛋白酶抑 制剂（ＡＰＩ）基因导入水稻（９３１１）获得转基因植株，并 通过ＰＣＲ检测证明了水稻９３１１获得了ＡＰＩ基因，并 能在导人后代中遗传下去。万文举等［３３将玉米ＤＮＡ导 入水稻后，选育出稳定品系，并在其导入后代品系中通 过ＰＣＲ，ＲＡＰＤ以及Ｓｏｕｔｈｅｒｎ技术，证明了玉米ＤＮＡ 特异片段能在导人后代（品系）中稳定遗传。
有表现。原因是两系杂交稻的遗传机制相当复杂，研究
者们对此有不同看法。起初，靳行明等认为受一对主效 基因控制；随之，朱英国等认为受两对隐性基因控制； 再后，有人认为受３对隐性基因控制。梅国志等认为是 有质量一数量性状的遗传特点。笔者认为应当属数量 性状微效多基因控制，所以它们的表现易受环境（温、 光）条件的影响。后来进一步利用ＤＮＡ分子标记，经张
然培育出了５个接近或达到育种目标的的粳稻品种， 但由于种种原因，未能大面积推广。之后，１９８９年国际‘ 水稻研究所提出培育“超级稻”，后称“新型株”（也称理 想株型）的育种计划［１引，并培育出１个适于直播的超级 热带粳稻，也因种种原因未能大面积推广。 １９９６年，中国农业部立项“中国超级稻育种”计 划，并分期逐步实施：第一期，到２０００年实现亩产７００ ｋｇ（中稻）；第二期，到２００５年实现亩产８００ ｋｇ（中稻）； 第三期，到２０１５年实现亩产９００ ｋｇ（中稻）［１“。通过努 力，已于２０００年实现了超级稻第一期目标，２００４年实