張國棟 鄒丹丹單貞 邵曉宇 張夢(mèng)旭郭海鵬 米鐵柱,2李繼明*

（1青島海水稻研究發(fā)展中心，山東青島266000；2中國海洋大學(xué)/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；第一作者：zhangguodong＠searice.org；*通訊作者：lijiming＠searice.org）

水稻（Oryza sativaL.），作為全球近 50%人口的主要糧食作物，具有產(chǎn)量高、種植區(qū)域廣泛、種質(zhì)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著雜交水稻的長(zhǎng)期推廣與大面積種植，各品種間遺傳背景差異減小，增產(chǎn)放緩，對(duì)病蟲害及不良環(huán)境的抵抗力下降，不利于糧食戰(zhàn)略的可持續(xù)發(fā)展。早在1987年，袁隆平院士就提出水稻發(fā)展戰(zhàn)略的三個(gè)階段，依次是品種間、亞種間和遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢(shì)的利用[1]。目前，我國的水稻產(chǎn)業(yè)主要以三系和兩系為主，稻米產(chǎn)量一直處于穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)水平，水稻品種間和亞種間雜種優(yōu)勢(shì)的利用為解決世界糧食危機(jī)做出了巨大的貢獻(xiàn)[2]。“野敗”（wild abortive，WA）雄性不育株的發(fā)現(xiàn)，使三系法雜交水稻育種取得成功，而光溫敏核不育水稻的發(fā)現(xiàn)使兩系法利用雜種優(yōu)勢(shì)成為可能，每一次具有重要價(jià)值的新種質(zhì)材料的利用，都是水稻遺傳育種取得突破性進(jìn)展的重要前提。由于野生稻和其他種屬的物種與栽培稻之間的巨大差異，遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢(shì)的利用將成為解決栽培稻遺傳基礎(chǔ)狹窄、擴(kuò)大遺傳變異及創(chuàng)造新種質(zhì)資源的有效途徑。

雖然水稻遠(yuǎn)緣雜交具有廣闊的利用前景，但由于種間遺傳距離較遠(yuǎn)，種屬間雜交配合力很弱，遠(yuǎn)緣雜交后代性狀表現(xiàn)出雜交不親和或雜交結(jié)實(shí)率很低、雜種不育或育性差、雜種后代性狀分離雜亂及分離世代長(zhǎng)等現(xiàn)象[3]。但物種間遠(yuǎn)緣雜交可實(shí)現(xiàn)種屬間優(yōu)良基因的重組交流，從而培育出具有新性狀的優(yōu)質(zhì)植物新類型甚至新物種，如竹稻等，具有分蘗旺盛、莖稈粗壯、稻米品質(zhì)與抗性增強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。另外，水稻遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢(shì)的利用主要有物種間直接的有性雜交（sexual hybridization）、體細(xì)胞雜交（somatic cell hybridization）、外源DNA 導(dǎo)入（exogenous DNA introduction）、基因工程等[5]，且基于胚拯救[6]、水稻不育基因[7]、InDel 分子標(biāo)記[8]、染色體片段代換體系[9]等理論方法的研究，為水稻遠(yuǎn)緣雜交育種創(chuàng)造了條件。本文概述了遠(yuǎn)緣雜交所涉及的分子機(jī)理及水稻遠(yuǎn)緣雜交育種思路，詳述了水稻種屬間雜交現(xiàn)狀、現(xiàn)存障礙及解決措施，為加快遠(yuǎn)緣物種基因資源在水稻育種上的應(yīng)用提供參考。

1 水稻遠(yuǎn)緣雜交概述及理論假說

在水稻育種中，通過不同的水稻遠(yuǎn)緣雜種優(yōu)勢(shì)利用途徑（有性雜交、外源DNA直接導(dǎo)入技術(shù)、多倍體雜交等），對(duì)水稻遠(yuǎn)緣雜交真實(shí)性進(jìn)行鑒定（形態(tài)學(xué)標(biāo)記、分子標(biāo)記、染色體分帶、流式細(xì)胞室等技術(shù)等[10]），可以提高水稻品種（組合）的抗病性、抗逆性、適應(yīng)性、產(chǎn)量，改良品質(zhì)性狀，創(chuàng)造新種質(zhì)，達(dá)到引入外源優(yōu)良基因改良已有水稻品種的目的。目前，水稻遠(yuǎn)緣雜交的類型分為精卵結(jié)合型（C型）和非精卵結(jié)合型（N型）[11]。水稻有性雜交，即精卵結(jié)合型遠(yuǎn)緣雜交，一般發(fā)生在染色體組相同的種內(nèi)、亞種間或染色體組一致性較高的種間，其雜種細(xì)胞中含有母本的整套染色體和父本的整套或部分染色體，雜種所表現(xiàn)的性狀包括兩親的性狀或中間類型。而N型則發(fā)生在親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的種間或?qū)匍g，由于基因組大小、結(jié)構(gòu)等差異巨大，導(dǎo)致DNA分子出現(xiàn)差異性排斥現(xiàn)象，使雜種在染色體數(shù)目和組型上與母本并無太大區(qū)別，雜種性狀易產(chǎn)生明顯的變異，但雜交成功率變低。盡管水稻遠(yuǎn)緣雜交具有困難和復(fù)雜性，但目前，水稻品種內(nèi)雜交難以完全滿足育種目標(biāo)的要求，遠(yuǎn)緣雜交育種在國內(nèi)外歷來都倍受重視。我國育種工作者在水稻遠(yuǎn)緣雜交分子機(jī)理方面也做了大量研究工作，已形成了幾種理論體系。

（1）DNA片段雜交假說。1978年，周光宇提出了DNA片段雜交假說，認(rèn)為供體DNA會(huì)被受體酶解成若干片段，而少量片段可能僥幸整合進(jìn)受體的基因組，從而影響子代基因表達(dá)[12]。（2）雙重作用假說。1992年，萬文舉等認(rèn)為，外源DNA的導(dǎo)入具有基因轉(zhuǎn)移和誘變雙重作用，從而提出了雙重作用假說，外源DNA片段插入受體基因組，不僅會(huì)導(dǎo)入遠(yuǎn)緣基因，還有可能引起受體基因組的基因突變[13]。（3）外源基因滲透學(xué)說。1999年劉寶等依據(jù)水稻和菰（Zizania latifolia）的遠(yuǎn)緣雜交研究結(jié)果，提出了外源基因滲透學(xué)說，認(rèn)為外源基因的進(jìn)入引起受體基因組的沖擊，受體基因組會(huì)趨向于通過刪除一些特異性序列來維持自身基因組穩(wěn)定，或通過甲基化等途徑來調(diào)控基因表達(dá)。而由外源基因組的沖擊導(dǎo)致的基因組不穩(wěn)定，可能會(huì)帶來部分同源區(qū)段的基因重組，同時(shí)，受體基因組結(jié)構(gòu)的改變，極易引起基因突變、轉(zhuǎn)座子激活等現(xiàn)象，以及甲基化所引起的基因沉默或激活等表達(dá)水平的變化，這些遺傳與表觀遺傳變化在一定程度上導(dǎo)致遠(yuǎn)緣雜種后代瘋狂分離，很難在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定、純合，而由于基因表達(dá)與調(diào)控紊亂所引起的花粉或胚囊發(fā)育受阻，導(dǎo)致雌雄配子普遍敗育[14-15]。

我國水稻育種歷經(jīng)矮稈基因（第一次綠色革命）、不育系（核質(zhì)互作不育系、光溫敏核不育系）、綠色超級(jí)稻（聚合抗逆、營養(yǎng)高效利用和理想株型基因）3次大的變遷[16]。其中秈粳亞種間雜種優(yōu)勢(shì)的利用為水稻遺傳育種革命變遷提供了基礎(chǔ)[17]，未來如何將遠(yuǎn)緣物種有利基因應(yīng)用于綠色超級(jí)稻是一個(gè)重要的研究方向。

2 水稻遠(yuǎn)緣資源的利用

2.1 水稻種間遠(yuǎn)緣資源的利用

學(xué)術(shù)界對(duì)稻屬中種的數(shù)量及分類一直持有不同的觀點(diǎn)。目前比較公認(rèn)的稻屬分類含有23個(gè)種，其中含2個(gè)栽培種和21個(gè)野生種，分別歸屬于AA、BB、CC、BBCC、HHJJ等10個(gè)染色體組，其中最大類群AA基因組包含亞洲栽培稻、非洲栽培稻2個(gè)栽培種和其他6個(gè)野生稻種[18]。栽培稻與野生稻的遠(yuǎn)緣雜交研究始于20世紀(jì)初，利用普通野生稻和栽培稻的天然雜交后代，丁穎先生育成了優(yōu)良品種中山1號(hào)，隨后衍生出中山紅、包胎矮等許多品種，這些水稻品種的選育均利用了中山1號(hào)部分野生稻的優(yōu)質(zhì)基因性狀，為栽培稻種植與改良作出了重要貢獻(xiàn)[19]。隨后，國內(nèi)外學(xué)者還利用了三系法（秈/粳型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系育成的高異交率偏秈/粳型廣親和不育系與中間型恢復(fù)系配組、偏秈/粳型不育系與廣親和恢復(fù)系配組）和兩系法（廣親和光溫敏不育系與偏秈/粳型恢復(fù)系配組）在水稻種間抗病、改良栽培稻株型、高產(chǎn)等方面展開研究[20]。

在野生稻種質(zhì)資源的利用過程中，通過種間雜交與長(zhǎng)期選育，國際水稻研究所已成功將來自于尼瓦拉野生稻的抗草狀矮縮?。╮ice dwarf virus，RDV）的基因和來自于長(zhǎng)雄蕊野生稻的抗白葉枯?。╞acterial leaf spot）顯性基因Xa-21轉(zhuǎn)移到栽培稻品種中[21]。除了引進(jìn)抗病基因外，研究者也將目光放在改良栽培稻株型、改良稻米品質(zhì)和提高水稻產(chǎn)量的研究方向上。通過普通野生稻與栽培稻的復(fù)合雜交，成功選育出耐肥、抗倒、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病等諸多優(yōu)良性狀的材料—西鄉(xiāng)糯[22]。在水稻亞種雜交生產(chǎn)方面，應(yīng)用較廣的有配組育成的春優(yōu)59[23]、甬優(yōu)6號(hào)[24]、廣親和性光溫敏不育系培矮64S[25]及偏粳型廣親和不育系春江16A[26]等，為實(shí)現(xiàn)秈粳雜交水稻增產(chǎn)提供了材料。但秈粳雜種結(jié)實(shí)易受環(huán)境影響，結(jié)實(shí)率低、籽粒充實(shí)度偏差等制約了秈粳亞種間雜種優(yōu)勢(shì)的利用。

隨著水稻基因組測(cè)序的完成，國內(nèi)外掀起了水稻基因功能研究的熱潮，一些和遠(yuǎn)緣雜交相關(guān)的功能基因，如袁隆平培育的Y兩優(yōu)900創(chuàng)造了較大面積水稻單產(chǎn)新記錄，可能與母本培矮Y58S攜帶的廣親和基因有關(guān)[27]；萬建民團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的不育“自私基因”O(jiān)RF1、ORF2和ORF3，有望解決秈粳亞種間雜交稻結(jié)實(shí)率低的難題[28]。另外，通過克隆柱頭外露率、早花、廣親和基因等，為基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)種間雜種優(yōu)勢(shì)的有效利用，種間雜交稻品種的培育提供了基礎(chǔ)。

2.2 屬間遠(yuǎn)緣資源的利用

水稻屬間遠(yuǎn)緣資源的利用比稻屬內(nèi)野生資源的利用難度更大，由于遺傳距離更遠(yuǎn)，植株形態(tài)、花粉結(jié)構(gòu)、染色體數(shù)目和基因排列等差別更大，屬間遠(yuǎn)緣雜交表現(xiàn)雜交不親和，雜種不育、結(jié)實(shí)率低等現(xiàn)象更加嚴(yán)重，配合力極差。但只要找到合適的物種，依然可以利用染色體的局部同源性及有性雜交手段，引入少量遠(yuǎn)緣物種的遺傳物質(zhì)。而且，由于遺傳距離遠(yuǎn)，屬間遠(yuǎn)緣雜交有可能大幅度改變?cè)耘嗟具z傳性狀，甚至得到新物種。

表1 水稻屬間遠(yuǎn)緣雜交研究現(xiàn)狀

水稻屬間遠(yuǎn)緣雜交中，高粱基因引入的報(bào)道較為深入。伏軍利用早稻品種87-156與青殼洋高粱雜交，選育出了具有穗大粒多、結(jié)實(shí)好、光合速率高、生長(zhǎng)量大等優(yōu)良性狀的超豐早1號(hào)，進(jìn)一步研究顯示，青殼洋高粱的基因以隨體的形式拼接到了栽培稻的染色體上，形成了穩(wěn)定的遺傳材料[29]。吉林通化農(nóng)科院于1972年開始從事水稻和菰遠(yuǎn)緣雜交的研究，獲得了一批性狀優(yōu)良的菰稻資源，并于2011年通過了通育335的品種審定[30]。在水稻屬間的遠(yuǎn)緣雜交中，經(jīng)過多年研究，我國先后獲得了水稻與高粱、玉米、菰、竹子、假稻、蘆葦、月見草、稗草等十幾個(gè)科屬間遠(yuǎn)緣雜交的雜種后代（表1），一方面利用這些植物的抗寒、抗旱、抗鹽、抗病蟲害等優(yōu)質(zhì)抗逆性狀，另一方面可以利用如玉米、高粱、稗草等C4植物根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)繁茂、喜溫耐旱、耐鹽堿、光合速率高等突出特點(diǎn)，培育高光效栽培稻新品種[31-46]。

屬間遠(yuǎn)緣有利基因在栽培稻遺傳育種，特別是在抗性育種及超高產(chǎn)育種上，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和潛力，但雜交不親和、分離世代長(zhǎng)等依然是屬間遠(yuǎn)緣雜交所面臨的問題。通過研究手段的不斷更新?lián)Q代，如利用胚拯救、細(xì)胞融合、花粉管通道、穗莖基因注射等方法，可以短期內(nèi)得到更多雜交材料，尤其是為后期的篩選提供足量的F1代材料，是創(chuàng)新水稻種質(zhì)資源、培育抗逆性強(qiáng)、高質(zhì)、優(yōu)產(chǎn)水稻的重要途徑之一[47]。

3 水稻遠(yuǎn)緣雜交障礙及其克服途徑

3.1 水稻遠(yuǎn)緣雜交障礙的遺傳機(jī)制

許多育種實(shí)踐表明，由于親緣關(guān)系較遠(yuǎn)物種間存在嚴(yán)重的生殖障礙而導(dǎo)致雜交往往難以成功。依據(jù)隔離時(shí)期不同將生殖隔離分為受精前隔離（生理隔離、親本不育及受精失敗等）和受精后隔離（雜種敗育、不育、失活等）。依據(jù)基因組水平不同將生殖隔離分為外在的隔離（依賴于基因型和環(huán)境互作的隔離機(jī)制，多由生態(tài)及地理隔離造成的）和內(nèi)在的隔離（由遺傳不協(xié)調(diào)的基因組沖突引起的，包括成種基因不同、染色體結(jié)構(gòu)變異、不同位點(diǎn)基因互作不親和、偏分離、核質(zhì)互作等）[48]。導(dǎo)致水稻遠(yuǎn)緣雜交失敗的關(guān)鍵原因是受精后/內(nèi)在的障礙[49]。

雜種不育是水稻遠(yuǎn)緣雜交受精后障礙最重要的形式[50]。OKA等[51]認(rèn)為，復(fù)隱性基因配子體致死模式和單位點(diǎn)孢子體—配子體互作模式是栽培稻雜種不育基因作用的主要模式，可見不育基因，即成種基因是阻礙物種間基因交流的基因。YANG等[52]從水稻中克隆出一個(gè)不育基因S5，S5位點(diǎn)通過編碼3個(gè)緊密連鎖基因（ORF3-ORF5）損害胚囊的可育性，造成秈粳雜種間孢子發(fā)育異常。染色體結(jié)構(gòu)變異也會(huì)引起雜種不育，褚啟人研究了146個(gè)不同生態(tài)型雜交組合F1及親本減數(shù)分裂的染色體行為，結(jié)果表明，染色體行為異常在F1植株和親本中都可能發(fā)生[53]。雜種敗育及失活可能由于雜種胚和胚乳組織在發(fā)育時(shí)缺乏協(xié)調(diào)性，或者當(dāng)胚乳降解不能給胚提供生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，胚由于缺乏營養(yǎng)而停止發(fā)育并降解。

目前，對(duì)雜種不育遺傳機(jī)理的解釋有細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)、染色體結(jié)構(gòu)差異和基因控制理論（重復(fù)隱性配子致死、單座位孢子體-配子體互作、單座位孢子體不育和互補(bǔ)孢子體不育）。近年來隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的日益發(fā)展，越來越多的蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn)與胚胎敗育有密切關(guān)系[54]。

3.2 水稻遠(yuǎn)緣雜交障礙的克服途徑

水稻遠(yuǎn)緣雜交障礙的克服途徑可以從生殖隔離的遺傳機(jī)制中尋找?；ǚ鄄挥驘o法完成受精的克服途徑包括選取適宜親本、母本（選取重瓣性低、雌蕊正常、結(jié)實(shí)率高等優(yōu)異性狀的材料）、多次重復(fù)授粉、蒙導(dǎo)花粉授粉、延遲授粉、切割柱頭法進(jìn)行授粉、施加激素等方法處理。雜種不育、衰敗等可采取胚拯救（幼胚培養(yǎng)、胚珠培養(yǎng)、子房培養(yǎng)等）、體外受精、體細(xì)胞融合、染色體技術(shù)（染色體組合成、多倍體技術(shù)等）及染色體片段代換系（將遠(yuǎn)緣物種中的基因向另外一個(gè)物種中漸滲的過程）等措施進(jìn)行處理[55-56]。尤其是多倍體技術(shù)、染色體片段代換（CSSL）等對(duì)克服水稻遠(yuǎn)緣雜交障礙取得了一定成果。

多倍體技術(shù)在小麥、西瓜、柑橘等物種上都已得到成功的應(yīng)用，如異源八倍體小黑麥的選育，而在水稻多倍體遠(yuǎn)緣雜交中，最初則是在秈粳亞種間雜種優(yōu)勢(shì)的利用上。研究表明，水稻多倍體化后，其遺傳保守性減弱，遺傳可塑性增強(qiáng)[57]。通過四倍體水稻轉(zhuǎn)移優(yōu)良基因，可更加廣泛地?cái)U(kuò)大雜交范圍，利用遠(yuǎn)緣雜交產(chǎn)生更強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)，甚至通過異源多倍體途徑創(chuàng)造新物種。黃群策等利用多種四倍體水稻與屬間植物假稻、狼尾草雜交，均獲得了飽滿的實(shí)粒種子，而以二倍體雜交時(shí)則很難獲得實(shí)粒種子[58-59]。通過四倍體水稻的橋梁作用，轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)緣物種的優(yōu)良基因，擴(kuò)大栽培稻基因池。雖然高結(jié)實(shí)率同源四倍體水稻材料已經(jīng)通過一些誘變技術(shù)獲得，但其綜合性狀如產(chǎn)量、抗性等與常見栽培稻相比并沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，且如何將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，如何通過遠(yuǎn)緣雜交進(jìn)一步聚合有利基因，并維持其高結(jié)實(shí)及多倍體所特有的大粒等優(yōu)勢(shì)性狀，尚不明確。

染色體片段代換是通過回交和分子輔助選擇構(gòu)建的一套近等基因系，在QTL精細(xì)定位等具有積極意義。宋健東等[60]以粳稻日本晴為親本，廣西普通野生稻DP15為供體，在BC3F1代獲得79個(gè)代換片段，基本可以相互重疊并覆蓋水稻12條染色體，構(gòu)建染色體片段代換體系有助于解析其遺傳基礎(chǔ)，也有利于在育種中利用這些優(yōu)良性狀的基因位點(diǎn)。

體細(xì)胞雜交技術(shù)作為一種相對(duì)成熟的技術(shù)，已經(jīng)在多種植物細(xì)胞融合中得到應(yīng)用，并且獲得了再生植株，但在水稻與野生資源間的基因轉(zhuǎn)移上，還存在植株再生率低等現(xiàn)象，而再生植株細(xì)胞染色體丟失也是一種普遍現(xiàn)象[61]。如果將水稻多倍體育種技術(shù)與細(xì)胞融合技術(shù)相結(jié)合，在遠(yuǎn)緣基因的利用上或許能開辟出一條新途徑，即在水稻多倍體育種普遍作為一種目的的背景下，將多倍體途徑作為一種中間育種手段，結(jié)合細(xì)胞融合技術(shù)、基因編輯技術(shù)等[62-63]。利用植株在生長(zhǎng)發(fā)育過程中的自我篩選過程來培育新的材料，或許能為水稻育種提供一種新的思路。

4 展望

遠(yuǎn)緣雜交是克服物種間存在的生殖隔離的重要手段之一，它將2個(gè)長(zhǎng)期進(jìn)化的穩(wěn)定的遠(yuǎn)緣物種中的有益基因重新組合，跨越有性雜交不親和的障礙，有可能組合出具有品質(zhì)好、抗性強(qiáng)、產(chǎn)量高的新材料或新種質(zhì)。在遠(yuǎn)緣有性雜交方面存在雜種胚敗育、不育、結(jié)實(shí)率低等諸多問題。研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)緣雜交前用適宜的激素處理，能有效提高雜交種子獲得率，同時(shí)利用胚挽救等組織培養(yǎng)手段擴(kuò)大雜種F1代種子出苗率[64]。目前，由于基因互作和表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制的復(fù)雜性，人們對(duì)于遠(yuǎn)緣雜交過程中基因組變化及調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)還非常有限，通過遠(yuǎn)緣有性雜交篩選有利種質(zhì)資源還是一個(gè)相對(duì)隨機(jī)的過程。

另外，遠(yuǎn)緣雜交在具有應(yīng)用價(jià)值的新種質(zhì)資源的選育上是一種重要的技術(shù)手段，在作物新品種的培育上歷來受到重視。水稻含2個(gè)栽培種和21個(gè)野生種，種質(zhì)資源豐富，而禾本科屬間遠(yuǎn)緣物種資源也極為豐富，具有抗病、耐鹽、高光效等多種有利性狀，為栽培稻遺傳改良和育種提供了極為寶貴的種質(zhì)資源庫，但在資源利用上還亟待開發(fā)新的育種模式和策略。隨著水稻功能基因和調(diào)控機(jī)理研究的深入，野生稻遺傳圖譜的全面構(gòu)建與研究，水稻遠(yuǎn)緣雜交機(jī)理的研究解析和新的技術(shù)手段的出現(xiàn)，遠(yuǎn)緣基因資源在水稻遺傳改良上的應(yīng)用必然會(huì)更加全面深入，為水稻抗逆性增強(qiáng)、稻米品質(zhì)提高和超高產(chǎn)育種展現(xiàn)更美好的前景。