同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望.pdf

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1、同源四倍体水稻具有籽粒增大、营养成分增加和抗性增强等特点，但其育性普遍偏低，影响产量，无法直接应用。高育性四倍体水稻的成功创制解决了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题，然而该类型多倍体水稻能否在生产上推广应用需要进一步探讨。本文总结了同源四倍体水稻及其杂种 F1育性偏低的细胞和分子遗传学机理研究的概况，重点介绍了高育性四倍体水稻的主要类型及最新的研究进展，最后提出未来利用新型四倍体水稻开展多代杂种优势等研究的设想，以期为水稻多倍体育种提供参考。关键词:水稻；同源四倍体水稻；新型四倍体水稻；PMeS 多倍体水稻；杂种优势利用 Autotetraploid rice:challenges and o

2、pportunities Xiangdong Liu1,2,3,Jinwen Wu1,2,3,Zijun Lu1,2,3,Muhammad Qasim Shahid1,2,3 1.State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China 2.Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture,Guangzhou

3、510642,China 3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Plant Molecular Breeding,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China Abstract:Autotetraploid rice is a type of germplasm developed from the whole genome duplication of diploid rice,leading to large grains,high nutrient content,and

4、resistance.However,its low fertility has reduced yield and hampered commercialization.To address this issue,a new type of high fertility tetraploid rice was developed,which may serve as a useful germplasm for polyploid rice breeding.In this review,we summarize the progress made in understanding the

5、cellular and molecular genetic mechanisms underlying the low fertility of autotetraploid rice and its F1 hybrid,as well as the main types of new tetraploid rice with high fertility.Lastly,the idea of utilizing the multi-generation heterosis of neo-tetraploid rice in the future is proposed as a refer

6、ence for polyploid rice breeding.Keywords:rice;autotetraploid rice;neo-tetraploid rice;PMeS polyploid rice;heterosis utilization 782 Hereditas(Beijing)2023 第 45 卷 水稻是世界上最重要的粮食作物之一，我国有一半以上人口以稻米作为主食。育种方法创新是水稻产量可持续发展的重要途径之一，如水稻“矮化育种”和杂种优势利用，两次“绿色革命”使水稻产量得到显著提高，为我国乃至世界粮食安全做出重大贡献1。近年来，我国水稻分子设计育种和野生稻从头驯化等

7、研究取得重大突破，有望引领新的“绿色革命”，使水稻产量再上新的台阶2。多倍体水稻具有多倍体植物所具有的优点，包括生长健壮、抗逆力增强、果实增大和营养成分提高等29，可能是应对未来全球气候变暖和其他异常恶劣环境的储备育种材料之一。近年来，我国在多倍体水稻（四倍体水稻）研究上取得重要进展，培育出多个高育性的四倍体水稻品系，解决了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题，有望使多倍体水稻得以应用，引起广泛关注1013。为了探讨高育性四倍体水稻的应用问题，本文首先对同源四倍体水稻低育性机理研究进行总结，在此基础上对其育性改良及相关研究进行了评述，并分析了同源四倍体在水稻育种中存在的问题，进而对其可能的应用前景

8、进行了展望。1 二倍体水稻加倍成同源四倍体水稻：育性和产量显著下降 同源四倍体水稻研究可追溯至 20 世纪 30 年代，最早是日本学者 Nakamori 于 1933 年报道了自然形成的同源四倍体水稻14，Ichijima15于 1934 年利用二倍体水稻通过人工诱导获得同源四倍体水稻。Oka16于 19531955 年间对同源四倍体水稻诱导（二倍体水稻染色体加倍）的技术、个体的变异、品系间性状的差异、杂种 F1及后代育性的变化、染色体行为和育性偏低的机理进行了系统研究，发现同源四倍体水稻原种（纯合体）育性普遍偏低、杂种 F1（杂合体）育性明显提高；染色体行为异常可能是引起其育性偏低的重要原因

9、。我国学者鲍文奎带领团队于 1951 年开始四倍体水稻研究，1952 年利用本地品种成功诱导出同源四倍体水稻17,18。之后，我国有多家单位开展同源四倍体水稻研究。本文根据相关文献进行了统计，发现自 20 世纪 80 年代以 后，我国有超过 15 家单位开展了同源四倍体水稻研究，培育出不同类型的四倍体水稻 6000 余份，其中通过染色体直接加倍获得同源四倍体水稻品系1500 余份1012,1720。研究普遍认为，同源四倍体水稻育性偏低，引起其育性偏低的原因主要有 3 个方面：（1）减数分裂期间染色体配对和分离行为出现异常，形成影响育性的非整倍体配子；（2）育性相关的基因异常表达，影响生殖发育过

10、程；（3）表观遗传方面异常。以上原因均可引起同源四倍体水稻花粉和胚囊发育、受精、胚胎和胚乳发育等方面的异常，导致结实率下降，产量降低，难以直接利用 2127。1.1 同源四倍体水稻减数分裂期间染色体异常行为与低育性 同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂期间染色体行为异常是育性降低的重要原因之一。大量研究结果已表明，同源四倍体水稻花粉母细胞在减数分裂期间会出现染色体配对和分离等方面的异常，包括前期 I 的单价体和多价体、中期 I 染色体拖曳、后期 I 和后期 II 染色体落后、末期 II 的微核等，从而形成非整倍体的配子，引起花粉育性下降，影响受精，使结实率降低1012,17,18,21,22。本文

11、对已报道的40 份同源四倍体水稻及其对应的二倍体原种进行统计（表 1），发现同源四倍体水稻的平均结实率为33.83%，而二倍体原种则高达 85.06%；二倍体水稻在减数分裂前期I和中期I染色体构型主要是二价体，而同源四倍体水稻在对应时期却出现多种价位的构型，其中前期 I 和中期 I 二价体数分别是 5.6713.21和 5.3614.54 个、四价体数分别为 4.838.71 和4.498.29 个，同时还有少量的单价体和奇数的高价体10,11,17,21,26,2932。同源四倍体水稻不同价位染色体的出现，必定引起分离的多样性，出现高频率的异常，其中中期 I、后期 I、中期 II 和后期 I

12、I 异常率均在 20.00%以上17,21,29,32，导致其花粉育性（平均69.10%）明显低于二倍体水稻（96.32%）（表 1）。值得指出的是，同源四倍体水稻胚囊育性也比二倍体水稻的低22,23，其原因之一应该与花粉相似，即大孢子母细胞减数分裂期间染色体配对和分离出现异常导致。第9期 刘向东等:同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望 783 表 1 同源四倍体水稻和高育性四倍体水稻花粉母细胞减数分裂各时期染色体行为异常频率及育性表现 Table 1 Pollen fertility and abnormal frequency of chromosome behavior of po

13、llen mother cells in autotetraploid and high fertility tetraploid rice 材料 花粉育性（%）结实率（%）染色体构型 参考文献 二倍体水稻 96.322.67 85.068.06(0.200.83)I+(11.1711.90)II(0.161.18)I+(11.4111.92)II 2830 同源四倍体水稻 69.1017.61 33.8316.05(0.091.03)I+(5.6713.21)II+(0.041.23)III+(4.838.71)IV+(0.000.19)V+(0.000.36)VI(0.254.13)I+(

14、5.3614.54)II+(0.131.26)III+(4.498.29)IV+(0.000.28)V+(0.000.37)VI 10,11,17,21,26,2932 二倍体水稻籼粳杂种 F1 30.511.63 30.3419.70(0.740.38)I+(11.260.19)II(0.230.04)I+(11.770.11)II 33,34 同源四倍体水稻籼粳杂种 F1 52.9638.49 47.9112.09(0.230.72)I+(10.2613.00)II+(0.080.64)III+(5.236.65)IV(0.571.33)I+(10.8915.79)II+(0.050.53

15、)III+(3.746.27)IV 3335 PMeS 多倍体水稻-77.143.71(0.030.04)I+(15.8315.86)II+(0.030.04)III+(4.154.38)IV+(0.020.03)VI 10 高育性四倍体水稻恢复系 81.270.72 72.351.91(0.050.11)I+(19.1719.96)II+(0.010.09)III+(2.202.26)IV+(0.000.01)VI 36 高育性四倍体水稻恢复系杂种 F1 86.691.01 80.52.12(0.060.02)I+(14.3617.67)II+(0.010.06)III+(3.104.80)

16、IV+(0.000.01)VI+(0.000.01)VIII 36,37 新型四倍体水稻 90.795.13 75.215.81(0.060.53)I+(4.8910.17)II+(0.020.37)III+(6.859.45)IV+(00.02)VI 13,31,32,38 41 新型四倍体水稻杂种 F1 80.344.73 76.425.64(1.620.22)I+(8.710.40)II+(0.330.06)III+(6.840.73)IV+(0.010.01)V+(0.070.03)VI 31,32 指“终变期”；指“中期 I”；指未见报道该材料的花粉育性。1.2 同源四倍体水稻生殖相

17、关基因异常表达与低育性 水稻四倍化后倍性稳定，自交后代转座子发生表观遗传修饰（如甲基化水平变化等），导致染色质三维结构改变和基因转录之间的解偶联，使大部分基因的表达量接近二倍体水平，表型也相对稳定42,43。然而，由于同源四倍体水稻基因数增加一倍，原具有高度保守的生殖相关基因平衡网络被打破，引起基因的非正常表达，从而影响育性。已有许多研究都发现同源四倍体水稻减数分裂及后续的花粉发育均存在大量基因的异常差异表达，引起花粉育性降低。Wu 等28在同源四倍体水稻台中 65-4x 花粉母细胞减数分裂期检测到 786 个差异表达的基因（与其二倍体原种比较，下同），其中 125 个表达下调，包括 与 染

18、色 体 配 对 重 组 相 关 的 基 因 PA I R 2 和OsDMC1B 等。Chen 等29在同源四倍体水稻 T449同时期检测到 75 个与减数分裂相关的差异表达的 基因，包括减数分裂 DNA 双链断裂（double-strand breaks，DSB）的重要基因 OsMTOPVIB 和参与同源染色体配对及联会的基因 OsMOF 表达均显著下调。Li 等30在同源四倍体水稻 02428-4x 同期检测到 665 个差异基因，其中 352 个表达下调，包括调控育性重要的基因 OsMYB80、OsABCG15、PTC1和 CYP703A3 等。Ku 等44在新合成的同源四倍体水稻 减 数

19、 分 裂 花 药 鉴 定 到 941 个差 异 表 达 蛋 白（differentially expressed proteins，DEPs），包括489 个表达上调和 452 个表达下调，其中与磷酸戊糖 途 径 相 关 的 蛋 白 质（BGIOSGA016558、BGIOSGA022166 和 BGIOSGA0828743）表达下调，与谷蛋白降解有关蛋白质（BGIOSGA017346 和BGIOSGA027368）表达上调，这些变化可能与绒毡层的早期降解有关，最终影响花粉的育性。以上研究结果说明，同源四倍体水稻减数分裂期相关基因和蛋白的异常表达（特别是表达下调），可能也是引起其育性下降的重要

20、原因之一。784 Hereditas(Beijing)2023 第 45 卷 1.3 同源四倍体水稻表观遗传因子异常表达与低育性 近年来，越来越多的证据表明，表观遗传也是调控生殖发育和育性的重要遗传因子，特别是非编码 RNA 和甲基化等45,46。同源四倍体水稻表观遗传因子剂量增加了一倍，特别是作为基因表达的调控因子非编码 RNA 剂量的增加可能影响靶基因的正常表达，导致生殖异常。2016 年，Li 等47发现在同源四倍体水稻台中 65-4x 花粉母细胞减数分裂期有 58 个 miRNAs 存在差异表达，其中 osa-miR5788和 osa-miR1432-5p_R+1 表达上调，该 miR

21、NA 的靶基因中有 7 个是减数分裂相关的基因，包括 OsMER3、OsCOM1、RAD50、MEL2 和 CRC1 等，暗示其上调可能影响减数分裂基因的表达，从而进一步影响育性；另外，在同源四倍体水稻中存在大量差异的 24 nt和转座元件相关的 siRNA（TEs-siRNA），该元件相关 siRNA 的异常表达会造成转座子的失衡，导致同源四倍体水稻基因组的不稳定性，影响其育性。2017年，Li 等48进一步研究发现，同源四倍体水稻花粉和胚囊发育过程中存在不同差异表达的 miRNAs，其 中39个miRNAs表 达 的 趋 势 相 反，如osa-miR1436_L+3_1s5CT和osa-m

22、iR67h-3p在胚囊发育 中 表 达 上 调，而 在 花 粉 中 却 表 达 下 调；osa-miR159a.1和osa-miR159a-p5在花粉母细胞减数分裂中表达上调，而在胚囊中却表达下调；在花粉和胚囊发育过程中均能检测到 21nt phasiRNAs 的富集情况，而 24nt phasiRNAs 仅在花粉发育中被富集，且与二倍体水稻相比出现表达下调，时空表达模式与 其 触 发 子osa-miR2275d相 似，暗 示24nt phasiRNAs 和 osa-miR2275d 与同源四倍体水稻的低育性密切相关；24nt TEs-siRNA 在同源四倍体水稻胚囊中表达上调，但在花粉发育中

23、却表达下调。此外，Li 等49还在同源四倍体水稻台中 65-4x 中检测到 与 低 育 性 相 关 的 长 链 非 编 码 RNAs，其 中lncRNA57811 在花药组织特异表达，减数分裂间期至前期 I 中表达水平最高；过表达 lncRNA57811 花粉育性（29.70%）和结实率（33.00%）均显著下降。以上结果说明，非编码 RNA 的异常表达可能也是影响同源四倍体水稻育性的原因之一。同源四倍体水稻全基因组甲基化水平的变化也可能与育性降低有关。Li 等29利用同源四倍体水稻02428-4x 与其二倍体原种 02428 进行比较，研究发现前者 12,457 个区域出现超甲基化水平，47

24、,408 个区域表现低甲基化水平，涉及转座子基因的 7749 个区域发生低甲基化水平；通过与转录组、重测序结果联合分析发现，122 个差异表达的基因与花粉母细胞减数分裂过程相关，其中 98 个存在 DNA 甲基化差异，包括 OsMADS98、细胞色素 P450 羟化酶基因 CYP703A3 和 ABCG 转运蛋白基因 OsABCG26 等表达下调，这些基因异常表达均可能影响同源四倍体水稻花粉的发育，使育性降低。2 同源四倍体水稻亚种间杂种：生物学优势强，但杂种不育基因互作加强，影响育性 亚洲栽培稻一般分为 2 个亚种，即籼亚种和粳亚种。籼稻与粳稻杂交 F1具有强大的生物学优势，但由于存在杂种不

25、育基因互作，导致 F1育性普遍偏低，产量优势难以发挥。籼型与粳型同源四倍体水稻杂交组配的亚种间杂种 F1也具有明显的生物学优势，虽然育性比亲本和相应的二倍体杂种 F1有所提高，但仍然偏低，且组合间差异显著。我们根据已报道的文献17,3335，对 36 份同源四倍体水稻亚种间杂种 F1及相应的二倍体杂种 F1的结实率进行统计，前者平均结实率为 47.91%（最低的仅为 3.80%），后者为 30.34%。已有研究结果表明，与亲本一样，同源四倍体水稻杂种 F1花粉母细胞减数分裂也存在不同程度的异常现象，染色体构型多样，说明染色体行为异常仍是其育性偏低的原因之一（表 1）。另外，与二倍体水稻类似，同

26、源四倍体水稻杂种 F1也存在杂种不育基因互作，并成为影响其育性的重要因素之一。Wu 等34利用携带杂种花粉不育基因（Sa、Sb 和 Sc）的同源四倍体水稻近等基因系等材料（相应二倍体近等基因系加倍而成）组配不同互作类型和数目的杂种 F1进行研究，结果发现杂种花粉不育基因在四倍体杂种中具有明显的互作效应，互作座位越多，效应越强大，杂种 F1败育时期越早，育性也越低，出现类似“上位性”的效应，当 Sa、Sb 和 Sc三个座位同时互作时，杂种 F1花粉育性平均为 第9期 刘向东等:同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望 785 19.89%，结实率为 13.20%，最低仅为 3.56%，相应的二

27、倍体杂种结实率为 20.85%。Wu 等34进一步通过基因表达谱比较分析，鉴定到 940 个与倍性和杂种花粉不育基因互作相关的特异基因表达下调，包括 55 个减数分裂相关或时期特异表达（如 OsPUB73和 Os02g0497500 等）以及 7 个光合作用系统 I 等在内的基因，其下调表达严重影响减数分裂相关基因网络的协调性，导致 F1花粉育性严重偏低。通过育性“中性基因”可以部分克服二倍体籼粳杂种 F1的花粉不育，在同源四倍体水稻杂种 F1也一样。Wu 等50利用携带有花粉育性双“中性基因”San和 Sbn的同源四倍体水稻品系，与携带有不同花粉不育基因座位的近等基因系杂交，组配具有3 个不

28、同类型的杂种 F1，结果发现 3 个杂种的花粉育性平均为 78.60%，结实率为 68.40%，两者均比利用不含中性基因材料组配的杂种 F1（花粉育性为12.17%，结实率为 3.56%）显著提高，说明花粉育性“中性基因”也可以部分克服同源四倍体水稻杂种的不育性，但育性仍偏低。3 同源四倍体水稻杂交培育高育性四倍体水稻：育性接近正常 为解决同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题，我国水稻工作者经过多年努力，通过不同类型同源四倍体水稻杂交，培育出多种高育性的四倍体水稻，其中比较有代表性的主要有 3 类：（1）湖北大学培育的“PMeS 多倍体水稻”（polyploid meiosis stability

29、，PMeS，简称“PMeS 多倍体水稻”）10,51；（2）中国科学院成都生物研究所培育的高育性四倍体水稻恢复系及组配的“三系”杂交组合12,36,37；（3）华南农业大学培育的新型四倍体水稻（neo-tetraploid rice）11,13,31,32,52,53。以上 3 类高育性的四倍体水稻减数分裂前期 I 出现单价和高价（五价及以上）染色体的频率以及随后异常染色体行为均比同源四倍体原种的低，这可能是前者育性高的重要原因之一（表 1）。3.1 PMeS 多倍体水稻 PMeS 多倍体水稻是蔡得田等10于 2007 年报道选育的高育性四倍体水稻，是通过籼粳杂交和多代回交选择，以及进一步染色

30、体加倍和选育而成的，其中有 2 个品系分别被命名为 PMeS-1 和 PMeS-2，均为粳型四倍体水稻，平均结实率均在 70%以上。PMeS 多倍体水稻分别与籼型和粳型同源四倍体水稻品种杂交，其杂种 F1结实率均高，优势也很强，其中所组配的 6 个组合平均结实率均在 75%，比对照（同源四倍体水稻杂种 F1）高 40%以上。PMeS多倍体水稻花粉母细胞减数分裂前期 I 染色体主要以二价体（1218 个）和四价体（35 个）形式配对，单价体、三价体和高价体比例低（01 个）（表 1），其他时期染色体行为异常频率明显比低育性的同源四倍体水稻低。Xiong 等54研究发现，酵母减数分裂相关基因的同源

31、基因 OsMND1 在 PMeS 多倍体水稻减数分裂中具有重要的作用，该基因过表达可提高花粉育性，而干涉（下调）却显著影响花粉和胚囊的发育。Zhang 等55利用 PMeS 系选育出 2 个四倍体水稻光温敏雄性不育系 PS006 和 PS012，利用该不育系所组配的杂交组合优势明显，产量高，有利用潜力。此外，他们还发现表观遗传改变与杂种优势的表现密切相关，并鉴定出多个与杂种优势相关的候选基因56。3.2 高育性四倍体水稻恢复系及“三系”组合配套 涂升斌等12,37于 2003 年报道通过遗传育种、细胞工程及分子生物学等技术对同源四倍体水稻开展了多方面的研究并取得系列成果，创制了同源四倍体水稻材

32、料近 1000 份；培育四倍体水稻不育系 6 个、保持系 22 个、恢复系 22 个，其中 2 个保持系和 3个恢复系的结实率均超过 70%；实现了同源四倍体水稻“三系”配套，组配了杂交组合超过 100 个，其中 4 个组合结实率均超过 80%，理论产量超过二倍体水稻杂交稻汕优 63，包括 2 个亩产超 800 kg 的组合，比对照增产 33%。高育性的恢复系及其杂种F1花粉母细胞减数分裂染色体配对主要以二价体（平均 14.3519.96 个）和四价体（平均 2.004.80个）形式为主，单价体、三价体和高价体比例低（平均 0.000.11 个），染色体行为异常的频率比低育性的同源四倍体水稻低

33、（表 1）36。786 Hereditas(Beijing)2023 第 45 卷 3.3 新型四倍体水稻 新型四倍体水稻是本实验室利用同源四倍体水稻 Jackson-4x（由美国稻 Jackson 加倍而成，由中国科学院华南植物园黎垣庆研究员提供）与四倍体水稻品系 96025（中国农业科学院作物所选育，赵开军研究员提供）杂交，经过多代自交选育而成，其中新型四倍体水稻品系华多 1 号和华多 2 号分别于 2009 年和 2010 年育成11,40，于 2016 年获得国家植物新品种权。随后，进一步选育出华多 3至 8 号11,31,38,52（图 1）。新型四倍体水稻与直接由二倍体水稻加倍获得

34、同源四倍体水稻（AAAA）不同，主要表现在：（1）新型四倍体水稻花粉母细胞的减数分裂前期 I 染色体的四价体构型主要为“棒状”形态，易于进行 2/2 分离；同时单价体和高价体（5 价以上）等异常染色体数量均较少。而同源四倍体水稻同期染色体构型多样，不利于 2/2 分离；同时还存在高比例的单价体和奇数的高价体。另外，新型四倍体水稻少量母细胞出现 24 个二价体的配对情况，但同源四倍体水稻未见出现类似的情况；（2）由于新型四倍体水稻来自 2 个不同类型同源四倍体水稻杂交，从理论上讲，如果同源四倍体水稻基因组用 AAAA 表示，那么，新型四倍体水稻基因组应该是 A1A1A2A2，我们通过基因组比较分

35、析，发现新型四倍体水稻基因组存在非亲变异以及后代表现分离，说明以上推断是正确的；（3）新型四倍体水稻存在一些基因的新等位变异位点，如热激蛋白基因 HSP101 等，而同源四倍体水稻未见出现类似的变异；另外，新型四倍体水稻与异源四倍体水稻（如BBCC 或 CCDD 基因组的野生稻）也不同，前者配对主要为二价体和四价体并存，而后者全部是二价体的情况。为此，我们参考新型四倍体拟南芥（neo-tetraploid Arabidopsis）的命名，将该类高育性的四倍体水稻命名为“新型四倍体水稻”（英文为“neo-tetraploid rice”）13,57。近年来，我们对新型四倍体水稻开展了一系列的研究

36、，发现该多倍体水稻具有以下 4 方面显著的特点13,31,39,52,53,58,59：（1）育性高且为显性遗传。新型四倍体水稻结 图 1 新型四倍体水稻株型和田间表现 Fig.1 Plant type and field performance of neo-tetraploid rice 上图为新型四倍体水稻华多 1 号；下图为新型四倍体水稻华多 8号（25-26）和同源四倍体水稻黄华占-4x（T485）及其杂交组配的杂种 F1。实率可达 80%，与籼型同源四倍体水稻杂交 F1结实率可达 90%。目前鉴定到与新型四倍体水稻育性相关的基因有 7 个，包括 HSP101-153、KIN7L、K

37、IN14M、NRFG452、MOF1a39、NY1（LOC_Os07g32406）和NY2（LOC_Os07g32040）41,59等。（2）偏粳型。与籼型同源四倍体水稻杂交 F1产量杂种优势十分明显，其中单株粒重和生物产量的超亲优势均超过 100%，如同源四倍体水稻 T452 与华多 3 号组配的杂种 F1，单株粒重超亲优势达到131.27%13。通过比较基因组学和聚类分析发现，新型四倍体水稻为独立亚群，与典型籼稻和粳稻均有差异，但接近粳型（即偏粳型），这可能也是新型四倍体水稻与籼型同源四倍体水稻杂交 F1具有明显优势的原因之一31,32,53。目前已发现形成强优势的原 第9期 刘向东等:同

38、源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望 787 因之一可能是杂交 F1与亲本比较，出现一些重要基因的表达上调，如糖代谢与淀粉合成酶相关的基因（OsBEIIb和 OsSSIIIa等）、花粉育性相关基因（DPW和 CYP703A3、OsACOS12 和 PDA1）和杂种优势相关基因（GW8、OsGA20ox1、Ghd8、GW6a、LP1、Hd1、IPA1 和 NAL1）等在杂种 F1中均表现表达上调31,32。（3）基因组存在非亲变异和新等位基因变异。比较基因组学分析发现，新型四倍体水稻每个同源组均携带有父母的染色体区段，但比例存在明显差异；出现非亲本的染色体区段，该区段含有与父本和母本均不同的

39、遗传变异，故称之为“非亲变异”，涉及非亲区段的变异基因数量达 222 个。另外，在新型四倍体水稻中还鉴定得到了二倍体水稻中未报道的新变异位点，涉及 2 个基因（HSP101-1 和LOC_Os10g25730），由于这些变异位点未能在已有的水稻数据库和同源四倍体水稻中检测到，故称之为新等位变异52,53。这些遗传变异可能是受多倍体“基因组冲击”效应影响而产生的新变异位点，其功能和产生的机理值得进一步研究。（4）携带可克服杂种不育和产量相关等优异基因。通过分子标记和杂交实验等研究发现，新型四倍体水稻携带有可部分克服杂种 F1胚囊败育的“广亲和基因”S5n和花粉败育的“中性基因”Scn等31。另外

40、，通过比较基因组学分析还检测到携带超过 40个产量或重要农艺性状相关基因的优异单倍型，其优异基因包括 CAP1、OsMER3、PSS-1、NAL1 和DEP1 等31,52,53。4 育种展望：多代杂种优势利用与特用稻应用 综上所述，同源四倍体水稻及其杂种育性偏低，加上还伴随单株穗数和穗粒数减少的劣势表型，导致产量优势难以发挥，无法在生产上直接应用。育性改良后的高育性四倍体水稻（PMeS 多倍体水稻和新型四倍体水稻等）及其杂种育性接近正常，产量优势得以发挥，具有利用前景。由于高育性四倍体水稻具有同源四倍体水稻相似的优点，如较高的光合效率、氮利用效率、耐盐能力、蛋白质和脂质（特 别是不饱和脂肪酸

41、和磷脂）含量等，以及杂种后代分离类型多样并可产生非亲和新等位变异等特点20,52,53,6066，所以，短期内可以作为特用稻在特定的区域应用，如作为饲用稻和耐盐碱稻等，以及创制“遗传多样性”品种和含有新变异的遗传育种新材料等，丰富水稻遗传变异资源。另外，由于高育性四倍体水稻（如新型四倍体水稻）杂种优势可保持多代，所以，除利用杂种 F1的优势外，也可以利用 F2以后世代的优势。我们根据多年的研究和实践，提出以新型四倍体水稻为核心的利用方案（图 2）。总体方案与二倍体水稻“二系”法杂种优势利用相似，先培育“温敏雄性不育系”，然后，与恢复系杂交组配强优组合并应用。与二倍体水稻不同在于所用核心亲本必需

42、具备克服多倍化不育性的能力以及结合应用基因编辑等技术改良育种的材料。具体方案如下：一、优异籼型亲粳新型四倍体水稻雄性不育系的创制。由于新型四倍体水稻同时具备克服多倍化不育性的能力以及克服籼粳亚种间杂种不育性的能力，因此可以新型四倍体水稻作为供体与籼型同源四倍体水稻核心亲本进行杂交，再以核心亲本作为轮回亲本回交 56 次，期间结合分子标记选择具有目标基因（如“广亲和基因”和花粉育性“中性基因”等），最后自交选择具有优异基因的四倍体水稻材料。依据此策略，本实验室通过大量种质资源的全基因组测序分析和杂种优势评估，目前已选出可以作为核心轮回亲本的同源四倍体水稻 T485，并持续改良到了第 5 代，为创

43、建优异籼型亲粳新型四倍体水稻雄性不育系奠定了坚实的物质基础。利用该材料创制雄性不育系的主要方法有以下 3 种：（1）通过基因编辑技术创建雄性温敏不育系。目前在二倍体水稻中控制水稻温敏不育性的基因（如 TMS5）已被克隆并成功应用创建不育系。本实验室前期也通过基因编辑技术敲除 TMS5，成功创建出 2 份（H2s和 H3s）新型四倍体水稻温敏不育品系，并组配出强优组合，证明通过基因编辑技术快速选育四倍体水稻温敏不育品系是可行的60。（2）通过杂交培育雄性光温敏不育系。利用常规杂交转育方法是选育四倍体水稻雄性不育系有效的方法，涂升斌等12和Zhang 等55均通过杂交等方法分别育成多份四倍体水稻不

44、育系，本实验室也通过杂交方法选育多个四 788 Hereditas(Beijing)2023 第 45 卷 图 2 新型四倍体水稻多代杂种优势利用分子育种体系 Fig.2 Molecular breeding system for multi-generation heterosis of neo-tetraploid rice 倍体水稻雄性温敏不育系（未公开报道）。需要指出的是，杂交选育四倍体水稻雄性不育系效率低（特别是“三系”不育系更是如此），难以满足大规模育种需要。（3）四倍体水稻“核雄性工程不育系”的创建。近年来，随着大量水稻花粉发育的特异基因被成功克隆以及分子机理被揭开，利用基因编辑

45、技术靶向编辑这些基因易获得不育性稳定的核雄性不育系（“核雄性工程不育系”）。目前二倍体杂交稻“第三代杂交制种技术”已成功实现水稻核雄性工程不育系的规模性繁殖，该不育系的特点是制种时不育性稳定，恢复系多组配自由，可能是未来杂交稻育种的重要方向之一67。我们认为，核雄性工程不育系配合第三代杂交制种技术也可以应用于四倍体水稻杂交育种，且前景广阔，值得系统深入研究。二、优异粳型亲籼新型四倍体水稻强恢复系的选育。新型四倍体水稻具有育性高和可克服杂种不育等优点，但也存在穗数和穗粒数偏少等缺点，所以需要进一步改良。改良的主要策略是以新型四倍体水稻作为底盘材料（骨干亲本）与不同类型的同源四倍体水稻（包括普通野

46、生稻）杂交，在杂交后代结合分子标记选择优良的单株和新型四倍体水稻回交 56 次，最后自交选育粳型亲籼新型四倍体水稻强恢复系。近年来，本实验室已根据该策略选育出一批粳型亲籼新型四倍体水稻强恢复系，与不育系杂交，优势十分明显，说明是可行的。需要指出的是，二倍体水稻加倍为同源四倍体水稻，打破原有协调的基因网络，特别是高度保守的生殖相关基因和表观遗传因子等，包括新型四倍体水稻在内的后代经常会出现一些不利的性状，如果通过常规的方法，改良需要较长的年限。因此通过遗传操作（如基因编辑技术等）通过修饰或“矫正”关键基因/表观遗传因子的表达，加快改良的速度。三、新型四倍体水稻强优杂交组合组配与多代杂种优势利用。

47、由于包括新型四倍体水稻在内的四倍体水稻每个基因组有 4 条染色体，每个位点有 4个等位基因，其杂合状态可以持续多代，特别是多座位杂合时可以保持更多的世代，为四倍体水稻多代杂种优势利用提供遗传基础。我们利用新型四倍体水稻与籼型同源四倍体水稻杂交组配杂种并试验种植 F2F4代的种子，发现世代间的产量差异不显著，第9期 刘向东等:同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望 789 说明其杂种优势至少可以保持至 F4代60。为了更有效地利用新型四倍体水稻多代杂种优势，我们提出的策略是：（1）杂种 F1主要用来繁殖种子，生产上主要利用 F24的杂种优势；（2）采用机器直播技术种植，以发挥四倍体水稻秆粗不

48、易倒伏的优势。近年来，科学家通过减数分裂和胚胎发育基因的改造，已成功获得无融合生殖的二倍体水稻材料68,69，为探索通过无融合生殖途径利用四倍体水稻多代的杂种优势提供了参考思路。最后应该指出，尽管高育性的四倍体水稻及其杂种 F1，育性均在 75%以上，明显比同源四倍体水稻高，但它们减数分裂染色体配对仍存在比例较高的四价体和少量的单价体或三价体，可能形成非整倍体配子，群体单株间和小穗间出现育性和籽粒充实的不一致，尤其是大面积种植时，可能会影响产量。所以，从长远来看，仍需加强对其育性的研究：首先，弄清高育性产生的分子机理，利用分子生物学等技术（基因编辑等）对高育性四倍体水稻育性相关基因进行改造，加快育性的稳定；其次，通过人工杂交和基因编辑等手段促使高育性四倍体水稻演变成为