三系法雜交水稻和兩系法雜交水稻育種的具體過程

1、三系法雜交水稻和兩系法雜交水稻育種的具體過程三系法雜交水稻育種（1）三系法雜交稻的由來： 兩個(gè)遺傳組成不同的親本雜交產(chǎn)生的雜種F1代優(yōu)于雙親的現(xiàn)象稱為雜種優(yōu)勢。具體地講，雜種F1代在生長勢、生活力、繁殖率、抗逆性、適應(yīng)性、產(chǎn)量和品質(zhì)諸方面比雙親優(yōu)越。雜種優(yōu)勢可分為超親優(yōu)勢、平均優(yōu)勢和競爭優(yōu)勢。人們常說的雜 種優(yōu)勢利用通常是指利用作物的競爭優(yōu)勢。水稻是典型的自花授粉作物，雌雄同花。水稻雜種優(yōu)勢利用， 只有依靠雄性不育的特性，通過異花授粉的方式來生產(chǎn)大量的雜交種子的方法有多種，其中之一便是使用雄性不育系（A）、保持系（B）和雄性不育恢復(fù)系（R）來配制雜種一代。由于這種利用水稻雜種優(yōu)勢的方法 需要不

2、育系、保持系和恢復(fù)系配套，故稱為三系法雜種優(yōu)勢利用。用此法培育的雜交水稻簡 稱為三系法雜交稻。水稻三系之間關(guān)系密切，其中不育系除了雄性器官發(fā)育不正常、花粉敗育不能自交結(jié)實(shí)、抽穗吐頸不完全之外，其余性狀和保持系基本無異。 保持系和不育系雜交， 獲得的不育系種子供來年制種和繁殖用；不育系和恢復(fù)系雜交，獲得的雜交水稻種子供下季大田生產(chǎn)用；保持系和恢復(fù)系的自交種子則可繼續(xù)作為保持系和恢復(fù)系用。（2、三系法雜交稻育種的歷史：1958年，日本東北大學(xué)勝尾清發(fā)現(xiàn)中國的紅芒野生稻能導(dǎo)致藤板5號(hào)產(chǎn)生雄性不育。1966年日本琉球大學(xué)新城長友以欽蘇拉包羅H為母本和臺(tái)中65雜交，育成BT型不育胞質(zhì)臺(tái)中65A，并將該雜

3、交組合后代的部分可育株經(jīng)自交穩(wěn)定選出了BT型不育系的同質(zhì)恢復(fù)系，于 1968年實(shí)現(xiàn)粳型雜交稻三系配套。我國雜交水稻的研究始于1964年，當(dāng)時(shí)在湖南安江農(nóng)校任教的袁隆平從洞庭早秈、勝利秈和矮腳南特等秈稻品種中找到6株雄性不育株，并根據(jù)花粉敗育情況分為無花粉型、敗育型和退化型3種。隨后進(jìn)行的遺傳和數(shù)以千計(jì)的測交試驗(yàn)表明： 這些材料屬于單基因控制的隱性核不育，找不到能完全保持其不育特性的品種，利用價(jià)值不大。1970年11月，李必湖等在海南省三亞市南紅農(nóng)場的水溝邊發(fā) 現(xiàn)了 1株花粉敗育的野生稻（簡稱野敗），為雄性不育系的選育打開了突破口。次年春季的 試驗(yàn)就表明廣場矮 3784、6044、二九南等品種（

4、系）對(duì)野敗不育株具有很好的保持能力。經(jīng)過隨后2年全國各育種單位的通力合作，到1972年冬在海南冬繁時(shí)就獲得了農(nóng)藝性狀一致、不育株率和不育度均達(dá)到100%的不育系群體，如珍汕97A和B、二九南1號(hào)A和B等。至此，我國第一批野敗細(xì)胞質(zhì)不育系宣告育成。水稻雄性不育系育成以后，1973年原廣西農(nóng)學(xué)院等單位陸續(xù)篩選出 IR24、IR26、泰引1號(hào)、古154等一批強(qiáng)優(yōu)恢復(fù)系，并選配出汕優(yōu) 2號(hào)、南優(yōu)2號(hào)等系列強(qiáng)優(yōu)勢雜交稻組合。 從此，以我國秈型三系雜交水稻實(shí)現(xiàn)配套為標(biāo)志， 宣告雜交水稻選育成功。（3、雄性不育系和保持系的選育：選育水稻雄性不育系首先要獲得能穩(wěn)定遺傳的雄性不育 株，其次是有能把雄性不育株的不

5、育特性傳遞下去的保持材料，然后通過測交和連續(xù)成對(duì)回交，完成全部核置換之后就可育成三系雄性不育系及其相應(yīng)的同型保持系。 雄性不育株的獲得： 獲得原始的雄性不育株， 可從大田自然群體中尋找或通過遠(yuǎn)緣雜交產(chǎn)生。前者如袁隆平早期從勝利秈、洞庭早秈、矮腳南特等秈稻品種中發(fā)現(xiàn)的C系統(tǒng)不育材料；后者如李必湖等發(fā)現(xiàn)并被試驗(yàn)證實(shí)由野生稻和栽培稻天然雜交產(chǎn)生的野敗雄性不育株；四川農(nóng)業(yè)大學(xué)通過地理生態(tài)遠(yuǎn)緣雜交獲得的用于培育岡46A等不育系的不育株，湖南雜交水稻研究中心用于培育印水型系列不育系的不育株及四川農(nóng)科院水稻高梁研究所通過秈粳交獲得的用于培育K系列不育系的不育株。這些不育株均為核質(zhì)互作型不育，比較容易找到保持

6、系，是選育三系雄性不育系不育單株的主要來源。 保持材料（B）的選育：保持系的選育可采取測交篩選和人工制保法進(jìn)行。測交篩選法：獲得雄性不育株后，選用掌握的國內(nèi)外育成的大量優(yōu)良品種（系）和之雜交，從中挑選具有良好保持能力的材料用作保持系。雜交稻育種初期就是采用這種方法，從常規(guī)品種中獲得了不少對(duì)野敗不育株具有很好保持力的品種，如珍汕97、V20、二九南I號(hào)等。這些品種對(duì)我國快速育成具有實(shí)際利用價(jià)值的秈型三系雄性不育系發(fā)揮了重要的作用，其中部分品種培育的不育系至今仍被廣泛使用于生產(chǎn)。人工制保法：隨著常規(guī)育種親本使用范圍的拓寬，育成的常規(guī)品種或多或少地都帶有若干個(gè)恢復(fù)基因或微效恢復(fù)基因，直接利用這些品種

7、作保持系的難度越來越大，甚至不可能。另一方面，雜交稻育種水平的提高對(duì)不育系也提出了更加嚴(yán)格的要求， 需要不育系具備的優(yōu)良性狀也越來越多。在此情況下，僅僅通過對(duì)育成的現(xiàn)有常規(guī)品種的測交篩選已難以完全達(dá)到新不育系選育的預(yù)期目標(biāo)，而必須依靠人工雜交選育的方法對(duì)不育系進(jìn)行改良，把符合育種目標(biāo)的性狀和不育系必備的性狀聚集在一起，才有可能培育出高質(zhì)量的不育系。人工雜交選育可采用一次雜交或復(fù)式雜交的方法。一次雜交主要有如下兩種：保持系X保持系。選擇2個(gè)各具有特點(diǎn)的保持材料雜交，然后從后代中選擇符合育種目標(biāo)的 單株進(jìn)行測交和回交轉(zhuǎn)育即可。該種配組方式比較簡單，育種速度也較快，對(duì)改良某個(gè)不育系的個(gè)別或少數(shù)幾個(gè)性

8、狀較為有效。保持系X恢復(fù)系或恢復(fù)系X保持系。少數(shù)情況下，具有某種優(yōu)良性狀的親本或恢復(fù)系帶有微效恢復(fù)基因，雖不能直接用其作回交轉(zhuǎn)育親本，但卻可以用它作雜交親本和保持系配組，從中選擇具有該優(yōu)良性狀的單株進(jìn)行測交篩選。這種配組方式選育過程比較長，難度也較大， 但有可能育成一個(gè)綜合性狀較好的新不育系。一般做法是雜交配組后的 F2或F3代就開始擇株進(jìn)行測交， 依據(jù)測交后代的育性再從中選擇 優(yōu)良單株進(jìn)行回交轉(zhuǎn)育，直至后代入選株系群體隆狀整齊一致和不育特性完全穩(wěn)定下來為止。 需要注意的是用來測交的單株應(yīng)該盡可能多一些，種植的測交或回交群體也應(yīng)盡可能大些， 測交世代應(yīng)盡可能早些。式雜交法即把多個(gè)品種（系）的有

9、利基因綜合到一個(gè)新的保持品種 中去。此法對(duì)育成優(yōu)質(zhì)、高異交率和抗病的不育系非常有利。 雄性不育系的轉(zhuǎn)育：雄性不育系轉(zhuǎn)育的基本原理就是細(xì)胞核置換，也就是染色體代換過程，常用做法是測交篩選和連續(xù)成對(duì)回交，不育系的完全核置換和同型保持系的穩(wěn)定同步完成。步驟如下：測交篩選：選用性狀符合育種目標(biāo)的常規(guī)品種（系）或人工制保材料為父本，和胞質(zhì)互作型雄性不育株或不育系雜交，根據(jù)測交F1花粉敗育情況決定回交和否。成對(duì)回交：在測交F1出現(xiàn)的不育株中，選擇不育度高、花粉典敗和圓敗為主的單株作母本， 再和父本連續(xù)回交數(shù)代，即可轉(zhuǎn)育成新的不育系。輪回親本就是其相應(yīng)的保持系?；亟贿x育不育系的群體大小依據(jù)使用的輪回親本不同

10、而有所區(qū)別。大多數(shù)情況下回交一代一般要求 50100株；回交二代建立 510個(gè)株系，每個(gè)株系種植 2030株；在回交三代群體中選 擇綜合性狀最好的株系擴(kuò)大回交四代群體至上1000株左右，并對(duì)各性狀的整齊度和育性進(jìn)行鑒定。如各項(xiàng)指標(biāo)均符合不育系要求，即可投入生產(chǎn)試驗(yàn)。（4 ）恢復(fù)系的選育： 恢復(fù)基因的組成及其來源：雖然不同研究者的試驗(yàn)結(jié)果有差異，但大多數(shù)人的研究表明：絕大多數(shù)類型的秈型胞質(zhì)互作型雄性不育系的恢保關(guān)系是相同的，也即雄性不育系的不育性和可恢復(fù)性由2對(duì)育性基因控制，恢復(fù)系的基因型為 R1RIR2R2不育系和保持系的基因型 為rlrlr2r2，雜種F1基因型為RlrlR2r2。根據(jù)恢復(fù)品

11、種的分布和親緣關(guān)系得知，對(duì)秈型三系雄性不育系具有恢復(fù)力的品種大多數(shù)是進(jìn)化程度較低的秈稻或者秈粳交后代，主要來源于低緯度的東南亞國家和我國華南的廣大地區(qū)，韓國的部分秈粳交品種具有恢復(fù)能力則歸功于使用了低緯度地區(qū)的秈稻作雜交親本。長江流域的早秈品種則幾乎沒有強(qiáng)恢復(fù)力的品種，我國的常規(guī)粳稻及日本、 朝鮮的粳稻品種均無育性恢復(fù)能力。 恢復(fù)系的選育方法： 恢復(fù)系選育分為測交篩選和雜交選育法。測交篩選法曾為配制強(qiáng)優(yōu)勢組合，發(fā)展我國的雜交水稻事業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。 進(jìn)行簡單的測交篩選已難以滿足雜交稻育種新的要求， 把多個(gè)優(yōu)良性狀聚合在一起，以篩選出新的恢復(fù)系。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展， 僅靠對(duì)現(xiàn)有的品種 還必須依靠

12、雜交配組， 通過基因重組 雜交選育法也就是育種者通常所說的人工制恢。第一，測交篩選法：如果說恢復(fù)系的選育是和不育系的選育同時(shí)進(jìn)行的，則應(yīng)歸功于當(dāng)初使用了大量國內(nèi)外品種資源對(duì)野敗不育株進(jìn)行的廣泛測交。通過測交除了獲得了對(duì)野敗不育株具有保持能力的品種外， 還發(fā)現(xiàn)了不少能夠使野敗不育株的育性得以恢復(fù)的品種，為三系迅速配套提供了又一物質(zhì)基礎(chǔ)。這種用現(xiàn)有種質(zhì)對(duì)不育系進(jìn)行測交，從中篩選具有恢復(fù)能力的品種（系）的方法就叫做測交篩選法。測交篩選法簡單快速，用測交篩選法陸續(xù)育成的古154、IR24、IR26、泰引1號(hào)、密陽46等強(qiáng)優(yōu)恢復(fù)系，對(duì)我國不同時(shí)期雜交水稻的發(fā)展產(chǎn)生 了重要的作用。其步驟如下：初測。用獲得

13、的優(yōu)良品種（系）對(duì)不育系授粉，依雜種F1的結(jié)實(shí)率、經(jīng)濟(jì)性狀、抗性等進(jìn)行初評(píng)，每組合種20株左右。復(fù)測。經(jīng)初測鑒定有恢復(fù)力且其他性狀無明顯分離的品種再做一次雜交，驗(yàn)證初測的結(jié)果。種植群體一般為50100株。鑒定。根據(jù)復(fù)測的結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格的淘汰，入選少量株系重新配制一定數(shù)量的雜交種， 供大田生產(chǎn)鑒定或新品種聯(lián)合比較試驗(yàn)。第二，雜交選育法：雜交選育可采用一次雜交或多次雜交的方式，因育種目標(biāo)不同可選用不同的組配方式。一次雜交法：通過一次雜交把恢復(fù)因子導(dǎo)入新的品種（系），再在后代的分離群體中采用系譜法進(jìn)行選育。常用的雜交方式是恢復(fù)系X恢復(fù)系， 但也有的使用保持系X恢復(fù)系和不育系 X恢復(fù)系?；謴?fù)系X恢復(fù)系。

14、選用2個(gè)均具有恢復(fù)因子且性狀間能互補(bǔ)的品種雜交，在雜種后代中選育符合育種目標(biāo)的新恢復(fù)系，由于2個(gè)親本均具有恢復(fù)基因，雜種各世代出現(xiàn)恢復(fù)株的幾率很高，低世代一般可不進(jìn)行測恢，而等入選單株性狀較為穩(wěn)定時(shí)才開始測恢。此種配組方式比較簡單快速，但應(yīng)注意擴(kuò)大雜交親本的遺傳差距。如福建省三明市農(nóng)科所選育的明恢63（1R30/圭630）、中國水稻研究所育成的中恢 465 （選10 9/輪回422）就是采用此法育 成的。保持系X恢復(fù)系或恢復(fù)系X保持系。當(dāng)某個(gè)品種具有諸如抗逆、廣親和等優(yōu)良性狀但不帶恢復(fù)基因而不能直接利用時(shí)，就可選用1個(gè)恢復(fù)系和其雜交。由于雜種各世代單株的基因型有 可恢和不可恢之分，但又難以用肉

15、眼從表型來判斷，只能通過選株大量測交的方式從中篩選出基因型可恢的單株。采用這種配組方式測交的世代宜早不宜遲，單株也應(yīng)盡可能多一些。如中國水稻研究所從臺(tái)雄 2號(hào)/ IR28后代中選出的臺(tái)85恢復(fù)系，和珍汕97A配組而成的 汕優(yōu)85 一度成為浙江省的主栽組合。不育系X恢復(fù)系。雄性不育系和恢復(fù)系雜交后，從雜種F2代開始選擇結(jié)實(shí)率較高的單株進(jìn)行連續(xù)加代，就能選出性狀穩(wěn)定一致的新恢復(fù)系。由于是同質(zhì)恢復(fù)系， 方法雖簡單，但如選擇不當(dāng)，所配組合的雜種優(yōu)勢往往難如人意。多次雜交法：采用這種配組方法可把多個(gè)品種的有利基因綜合到1個(gè)新品系中去，從而達(dá)到選育新恢復(fù)系的目的。 如湖南省農(nóng)科院選育的早熟恢復(fù)系二六窄早

16、（IR26/窄葉青8號(hào)/ 早恢I號(hào)）、遼寧省農(nóng)科院水稻所選育的粳型恢復(fù)系 C57 （IR8/科情3號(hào)/京引35）等即 是用此法育成的。（5）強(qiáng)優(yōu)組合選配的原則：選育優(yōu)良雜交組合的關(guān)鍵是選配親本，親本的好壞是能否育成 強(qiáng)優(yōu)勢雜交稻的基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，選配強(qiáng)優(yōu)勢組合應(yīng)充分考慮如下幾個(gè)方面：選擇雙親遺傳基礎(chǔ)差異大的親本配組： 遺傳差異是產(chǎn)生雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)。在一定的范圍內(nèi)， 雙親的遺傳差異越大， 優(yōu)勢也越強(qiáng)。這種差異可以是血緣上的差異， 也可以是地理或生態(tài)類 型上的差異。如汕優(yōu) 63、威優(yōu)64等就是利用了生態(tài)類型和地理來源不同的雙親配組，而汕優(yōu)10號(hào)、協(xié)優(yōu)46則除了雙親的生態(tài)類型和地理來源不同的差異外，

17、還存在著秈粳稻血緣上的差異。 選擇性狀能明顯互補(bǔ)的雙親配組：用優(yōu)良性狀能互補(bǔ)的雙親配組，較容易選配出綜合性狀優(yōu)于雙親的雜交稻新組合。如著名的雜交中稻汕優(yōu)63,雖然父母本（珍汕 97A、明恢63）在生育期、株型、抗性和穗粒結(jié)構(gòu)等方面有較大差異，但因能互補(bǔ)，故表現(xiàn)出很強(qiáng)的雜種優(yōu)勢。選擇農(nóng)藝眭狀優(yōu)良的親本配組：雜交稻的產(chǎn)量由雙親的平均值加上互作產(chǎn)生的雜種 優(yōu)勢構(gòu)成。只有兩個(gè)親本都具備了較為優(yōu)良的農(nóng)藝性狀，才有可能選配出農(nóng)藝性狀較好的優(yōu)勢組合，從而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。 選擇配合力好的親本配組：配合力是指 1個(gè)親本和其他若干品種 （系）雜交，遺傳給子一 代的性狀的平均表現(xiàn)。 它由親本基因型所決定， 和雜

18、種優(yōu)勢的強(qiáng)弱有直接關(guān)系。 只有配合力 好的親本才有可能選配出強(qiáng)優(yōu)勢雜交稻新組合，這也是為什么珍汕97A、V20A能夠長期為育種者樂意使用的主要原因。（6）三系雜交稻目前存在的主要問題：雜交早稻組合還不夠配套：為滿足農(nóng)村種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和全年糧食平衡增產(chǎn)的需要，要求早稻的米質(zhì)要好，生育期要適中。而現(xiàn)實(shí)的狀況是當(dāng)前的雜交早稻主栽組合的生育期仍然 偏長，米質(zhì)較差，不能滿足生產(chǎn)的需求，致使雜交早稻的種植面積還較為有限。稻米品質(zhì)欠佳：隨著人民生活水平的提高和我國加入世界貿(mào)易組織的需要，大部分雜交稻組合的米質(zhì)達(dá)不到優(yōu)質(zhì)米的水平，價(jià)格競爭力不強(qiáng)。 產(chǎn)量水平徘徊不前，接班組合不多：自汕優(yōu)63、汕優(yōu)10號(hào)、V優(yōu)64等組合育成之后，雜交稻的產(chǎn)量已在一個(gè)較高的水平上長期徘徊不前，綜合性狀更加優(yōu)良、 產(chǎn)量能明顯上一個(gè)新臺(tái)階的新組合很少。如何在優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)上尋求產(chǎn)量的進(jìn)一步突破是育種者面臨的一個(gè)重大 挑戰(zhàn)。（7）三系雜交稻