水稻同源多倍体的研究策略.doc

水稻同源多倍体的研究策略作者：黄群策 代西梅出处：见正文发布时间：2006-4-26 11:22:32　(原作发表时间： )　　中国水稻遗传改良的突出成就主要是20世纪50年代的矮化育种和20世纪70年代的水稻杂种优势利用杂交水稻育种在继20世纪70年代“三系法”获得成功之后，在20世纪90年代“两系法”又取得了突破性进展然而，在“两系法”杂交水稻育种已经取得重大成果的前提下，如果继续按照常规的水稻育种方法试图进一步提高水稻单位面积产量，则其育种难度更大根据杂交水稻育种的战略设想和水稻育种实践，在稻属植物内还存在很大的产量潜力有待于挖掘，通过不断地改进育种技术可以在更高的层次上进一步探索水稻杂种优势的利用途径目前，关于水稻生物学的有关知识和水稻遗传育种学原理主要来源于以二倍体水稻(2n=2x=24)为研究材料获得的研究结果，而对于多倍体水稻的生物学特性积累的经验太少，多倍体水稻的特征特性有待于更深入的研究，其潜在价值还有待于深入挖掘多倍体水稻包括同源多倍体水稻、异源多倍体水稻和同源异源多倍体水稻等多种类型笔者认为，从遗传组成的复杂性、研究难度和实际应用的角度来看，近期应该首先对同源多倍体水稻尤其是同源三倍体和同源四倍体水稻的特征特性进行深入研究。

1 同源多倍体水稻研究的局限性 　　在植物的系统进化过程中，染色体组的多倍化在很大程度上促进了高等植物的进化历程和进化速度，异源基因组的重组和染色体组倍性水平的提高在一定程度上代表着植物进化的总趋势自从1937年勃益克斯里发现秋水仙素在诱导生物多倍体中具有特殊的功效之后，人工诱导生物多倍体的研究工作便开始了革命性的变化同源四倍体水稻具有生长势强、生物学产量高、籽粒大、米质好和抗逆性强等特点，这在几十年前就已经引起了一些水稻育种者的关注在20世纪50年代，美、英、日、印等国的研究者对同源四倍体水稻的研究产生了很大的兴趣，围绕挖掘和利用同源四倍体水稻的增产潜力这一主题展开了深入的探索然而，由于同源四倍体水稻的结实率很难提高，研究进展缓慢日本、印度和菲律宾等国的研究者主要立足于研究稻属植物的进化关系而开展了多倍体水稻的研究工作，其研究工作主要涉及到同源四倍体水稻的诱导和产量潜力、不同倍性的栽培稻与野生稻之间的杂交、稻属内不同物种之间在染色体上的同源性和差异性以及稻属植物的进化特点等方面，具有较大的学术价值在中国，自从20世纪50年代初开始，鲍文奎等研究者在研究同源四倍体水稻的诱导方法、产量潜力、单株性状的稳定性、籽粒的蛋白质含量、初级三体的筛选和主要农艺性状的特征特性等方面做了许多有益的探索，试图在克服同源四倍体水稻的主要缺点的前提下直接利用其大粒优势、品质优势、抗性优势和生物学产量优势，进而挖掘水稻的产量潜力。

然而，由于各方面的原因，目前关于同源多倍体水稻的研究还没有达到预期的目标，其潜在价值仍然没有引起大多数水稻研究者的关注，对同源多倍体水稻的研究存在3大局限性 　　一是思想观念的局限性许多研究者都以传统的观点来看待和评价多倍体水稻的特征特性，以致于对一些超常规的生物学现象感到迷惑不解其实，从物种进化的角度来看，尽管生物界物种的类型千变万化而不同物种的进化方式完全不同，但促使生物界物种升级的有效途径主要有3条，即渐变途径、突变途径和染色体组多倍化途径利用多倍化技术使二倍体水稻成为同源多倍体水稻的实质就是通过促使二倍体物种升级而获得了新的多倍体物种在自然界，新物种产生之后还要经过长期的自然选择才能形成相对稳定的种群，从野生物种到栽培物种所经历的时间也相当长利用人工方法创造一种具有潜在利用价值的新作物比在某一栽培作物中培育一个新品种要困难得多对同源多倍体水稻研究中出现的一些特殊的生物学现象，如果仅仅根据在二倍体水稻研究中所积累的经验或知识给予解释而不抓住染色体组多倍化基础上的特殊性，往往使研究结论带有一定的片面性因此，只有以新的观念看待同源多倍体水稻研究中出现的问题，在分析问题时不受传统观念的影响，才有可能揭示其客观规律和本质特点，并发挥其潜在价值。

　　二是材料数量(或材料类型)的局限性经过50多 a 的诱导和研究，目前获得的同源多倍体水稻材料的数量尚未超过1000份，材料的生态类型或基因型相当有限在有限的同源多倍体水稻材料中发现的一系列特征特性并不具有普遍性，而试图利用现有的材料寻找其遗传变异规律和确定其潜在价值难度很大在二倍体水稻的遗传改良中，研究者利用的稻种资源数多达21.5万份，其中品种7万多个，但在生产上有重大影响的常规稻品种或杂交稻组合屈指可数 　　三是技术思路的局限性以同源多倍体水稻为材料获得的研究资料均比较零散，缺乏研究的系统性，尚未通过一条研究主线瞄准一个主题展开研究到目前为止，还没有一位研究者明确地提出一条切合实际的技术思路，以致于在同源多倍体水稻的研究中表现出明显的随意性 2 同源多倍体水稻研究中发现的特异现象 　　按照传统的细胞学观点和遗传育种学观点，同源多倍体水稻在雌雄配子或雌雄配子体的发育过程中，同源染色体不能实现两两配对而导致减数分裂异常，不能形成具有正常生活力和受精能力的雌配子或雄配子，最终导致结实率低而难以获得实粒种子然而，在对同源三倍体水稻和同源四倍体水稻的研究中发现了值得注意的4种奇特现象，即同源三倍体水稻的结籽现象及其倍性的遗传稳定性、在异倍性水稻间的杂交后代中早世代性状稳定遗传的现象、在隔离条件下的胚自发现象和群体内某些单株的高结实现象。

　　以同源四倍体水稻为母本，以二倍体水稻为花粉供体，通过有性杂交获得同源三倍体水稻连续多代的研究结果表明，在花药表现为畸形而无花粉粒的隔离条件下，同源三倍体水稻可以部分结籽，其结实率因材料类型不同而异，最低的结实率为0.59％，而最高的结实率达到7.71％由同源三倍体水稻结实的种子形成的下一个世代，其群体内主要农艺性状仍然整齐一致，没有发生性状分离现象染色体核型分析结果表明，由同源三倍体水稻产生的后代个体仍然是携带36条染色体的同源三倍体对于同源三倍体水稻这种奇特的生殖现象，很难用现有的细胞学理论和胚胎学理论予以合理的解释 　　关于在异倍性水稻间的杂交后代中早世代性状稳定遗传的现象，前人已经进行过一些研究，但研究者们至今仍然不能对其特殊的生物学现象给予令人信服的解释这种特殊的生物学现象于1991年被四川农业大学水稻研究所的研究者在同源三倍体水稻SAR-3与二倍体水稻品系 W255 的杂交中发现，在其 F2 代群体中某些株系内各单株之间在主要农艺性状上没有表现出性状分离现象随后，在 SARⅢ-2 与抗392、SAR-3与生47、DB102与太平369、DB102与中作59等杂交组合中先后都发现了早世代双亲性状综合后稳定遗传的现象。

在研究中发现，不但在以同源三倍体水稻为杂交母本的异倍性杂交组合中存在这种特异现象，而且，在以同源四倍体水稻为杂交母本与二倍体水稻杂交的异倍性杂交组合(59×南京11)中也发现了这种超常规现象 　　关于同源多倍体水稻的胚自发现象前人的研究结果也值得注意对在夏季条件下进行去雄的同源四倍体水稻APⅣ(4) 颖花进行的观察结果表明，在去雄后1 d 的50个子房中有3个子房(6.0％)包含2卵，有2个子房包含3卵(4.0％)在去雄后2 d 的50个子房中有2个子房(4.0％)包含2卵在去雄后3 d 的50个子房中，在2个子房中发现了由4个或8个细胞组成的单胚在去雄后4 d 的50个子房中有4个子房包含单胚，有2个子房包含双胚在去雄后5 d 的5个子房中发现包含单胚，3个子房中包含双胚由此可见，在去雄条件下APⅣ(4) 具有一定的自发成胚的能力 　　关于同源多倍体水稻单株的高结实现象在研究中也曾经被发现过笔者于1994年利用人工诱导法将二倍体水稻IR36(2) 和IR28(2) 诱导为同源四倍体水稻 IR36(4) 和IR28(4)，经过多年的观察后确定，其结实率一般不会超过10％2001年，根据离子束生物技术的原理，利用能量为25 keV 的氮离子束为诱变源，对同源四倍体水稻 IR36(4) 和 IR28(4) 进行离子束注入处理后发现，在其当代群体内出现了一些结实率高于75％的突变单株，2002年在重复实验中又获得了类似的实验结果。

笔者认为，利用离子束生物技术对同源四倍体水稻进行改良，很容易在其当代筛选到结实率高的突变单株，这是一种特殊的生殖现象现已在诱变后代中筛选到36个结实率比较高的单株或株系，其中有1个单株的结实率高达91.89％，并且所有结实率比较高的单株或株系产生的籽粒，其充实度均达到正常水平，籽粒饱满通过对这些结实正常的单株或株系进行根尖细胞内染色体数目的鉴定后确定，它们仍然是同源四倍体水稻(2n=4x=48)进一步研究表明，在同源四倍体水稻 IR36(4) 的变异群体内发现的22株高结实率单株，其第2代群体内出现明显的分离现象在各株系内，包括高结实率单株、中等结实率单株和低结实率单株，结实率性状呈现出数量性状的特征，在第2代群体中呈连续性分布，平均结实率为61.62％，最高结实率为86.64％，最低结实率为47.89％通过观察鉴定后，筛选到40个比较好的单株，其结实率在80％以上，综合农艺性状比较优良在同源四倍体水稻 IR28(4) 的变异群体内发现的14株高结实率单株，其第2代群体内出现的分离现象也是如此，平均结实率为59.71％，最高结实率和最低结实率分别为87.86％和51.49％为什么同源四倍体水稻经过低能离子束注入后其结实率会明显提高？其科学意义和实用价值是否值得进一步研究？笔者认为，对于这种奇特的生殖现象，首先应从细胞学水平进行深入研究。

需要确定同源四倍体水稻在减数分裂过程中同源染色体的配对是否正常，是否出现单价体和多价体等导致配子生活力降低的不正常现象；确定在生殖发育过程中其雌配子体或雄配子体是否具有正常形态结构和生理功能，雌配子或雄配子是否具有正常的生活力，以便阐明同源四倍体水稻表现高结实率特性的细胞学机理一旦在这方面取得实质性突破，将为同源四倍体水稻的改良和利用其杂种优势寻找到新的研究方向 3 挖掘多倍体水稻潜在价值的技术思路和途径 　　从植物物种的系统进化来看，染色体组的多倍化和异源基因组的有效结合是物种进化的主要动力，由此会提高其生长势、增强其适应性和加大其增产潜力目前生产上利用的水稻是二倍体(2n=2x=24)，在现有栽培作物中水稻基因组最小，系统进化程度有限从物种进化的倍性水平和染色体大小的适应性理论来看，适当增大水稻基因组，提高染色体组的倍性水平，可以扩大基因容量和丰富遗传变异范围，增加优良基因重组的几率，提高其适应性和产量潜力但由于目前掌握的同源多倍体水稻材料有限，在该研究领域积累的资料比较零散，研究深度和广度尚待进一步加强，其潜在的利用价值还很难肯定 　　在同源多倍体水稻的研究中迫切需要形成新的技术思路，以便寻找新的研究途径。

笔者认为，利用离子束生物技术对同源多倍体水稻进行遗传改良，有可能为进一步利用水稻强大的杂种优势和深入研究水稻无融合生殖现象寻找到新的突破口根据目前的研究现状，对同源多倍体水稻进行遗传改良的技术思路是，瞄准2个总目标(挖掘水稻的产量潜力和简化水稻杂种优势利用的程序)，采用3种有效技术(离子束生物技术、组织培养技术和染色体组多倍化诱导技术)，确定4个研究方向(直接利用同源四倍体水稻的增产潜力、利用同源四倍体水稻的杂种优势、固定其杂种优势和深入研究同源四倍体水稻的生殖发育特性)，达到5个预期目标(探索在多倍性水平物种形成的途径、研究多倍体生物的生物学特征特性、寻找多倍体生物表现的遗传变异规律、挖掘同源三倍体和同源四倍体的潜在利用价值、建立同源多倍体水稻的新的育种技术体系)为了挖掘同源多倍体水稻的潜在利用价值，在今后的研究中有如下4条途径值得探索 　　一是探索直接利用同源四倍体水稻的可能性染色体组的多倍化使得同源四。