異常低溫天氣對兩系雜交水稻的影響及對策

王愛民 周小燕 姚立生 孫明法 單忠德 嚴國紅

(1.鹽城市農業科學院,江蘇 鹽城 224002； 2.東臺市農業科學研究所，江蘇 東臺 224215)

自1973年石明松發現光敏型核不育系農墾58S以來，我國就開辟了水稻雜種優勢利用的新途徑，即兩系法雜交水稻。在80年代中后期，全國掀起了兩系雜交水稻的研究熱潮。兩系雜交水稻是我國獨創的以光溫敏核不育性的利用為主要內容的高新技術，同時也是作物遺傳育種上的又一次重大技術革新[1]。然而，頻繁出現的異常低溫天氣，不僅造成光溫敏不育系表現育性波動，給水稻生產帶來巨大的影響，而且使兩系雜交水稻育種研究遭受到不少的困難和挫折。由此可見，開展異常低溫天氣對兩系雜交水稻的影響及對策的研究有著非常重要的意義。

1 兩系雜交水稻育種的基本概念與方法

1.1 水稻光溫敏核不育性與兩用核不育系

1.1.1光溫敏核不育系的概念。水稻花粉育性在光周期和溫度等因素影響下可發生明顯轉換，且這種育性轉換只受細胞核基因控制的遺傳穩定品系叫光溫敏核不育系。這種品系在一定光、溫條件下花粉徹底敗育，可進行雜交制種；在另一些光、溫條件下花粉可育，自交結實，繁殖自身，實現“一系兩用”。日長誘導育性轉換的敏感期為幼穗分化的第三期到第五期，即第二次枝梗及穎花分化期至花粉母細胞形成期，其中最敏感的時期為第四期，即雌雄蕊形成期。溫度誘導育性轉換的敏感期在幼穗分化的第五期到第六期，即花粉母細胞形成期至花粉單核期；其中最敏感的時期為第六期，即花粉母細胞減數分裂期。

1.1.2光溫敏核不育系的育性轉換規律-光溫作用模式。光溫敏核不育系的育性轉換同時受光周期與溫度協同調控。在光敏溫度范圍內，光周期作用與溫度存在正向互補效應，即溫度升高臨界光長可縮短，溫度降低臨界光長可延長。在自然條件下光敏溫度范圍寬的材料表現為光敏不育，窄的表現為溫敏不育。

1.1.3光溫敏核不育性的遺傳。不育性受核基因控制，正、反交F1花粉育性相同。不育性受隱性核基因控制，一般品種都含有其等位基因，因而不育系的恢復譜極廣，同一亞種內幾乎所有的正常品種都能使其育性恢復正常?？刂撇挥缘闹骰驍的?，一般認為農墾58S及其衍生系為一到二對，安農S-1及其衍生系為一對。微效多基因(遺傳背景)對主基因有較大的修飾作用，主要表現為在不育性表達所需的光、溫條件有很大差異。

1.1.4光溫敏核不育系再生復育。一些光溫敏核不育系的再生稻能夠恢復可育，而同期抽穗的頭季稻仍保持完全不育。這種雄性不育系再生稻恢復可育的特性稱之為再生復育。再生復育是可遺傳性狀，可作為核不育系繁種新途徑，也可用于選育起點溫度(可育臨界溫度)更低的兩用核不育系。

1.1.5光溫敏核不育系選育。根據光溫敏核不育系育性轉換規律及自然界溫度變化特點，核不育系唯有起點溫度低，才能避免異常低溫對其育性的不利影響，確保制種安全，才具有實用價值。為此，選育光溫敏核不育系的技術路線是在不同的自然或人工光溫條件下開展生態育種，技術措施主要是利用不同緯度、不同海拔、不同季節的自然光溫條件對分離世代進行鑒定與選擇，技術關鍵是在強大的長日低溫(23℃)選擇壓力下選完全不育株，再在再生或短日條件下選可育株。

1.2 兩系雜交水稻的種子生產程序

兩系雜交水稻種子生產分不育系繁殖，恢復系繁殖和雜交稻制種三個部分。其生產流程如圖1。

不育系繁殖 雜交制種 不育系(rr)在短日和低溫等條件下在長日和高溫等條件下(×)不育系不育系○+×恢復系↑○(rr) (rr)(RR) F1雜交稻種(×)(Rr) 恢復系↑○ (RR)

圖1兩系雜交稻種子生產流程

2 異常低溫天氣對兩系雜交水稻的影響

2.1 對兩系雜交水稻育種工作的影響

我們發現，我國現已育成的兩系核不育系及中間材料，大多數起點溫度還不夠低，在遇到異常低溫天氣侵襲的時候，往往會發生育性轉變；同一植株上的不同分蘗之間，同一穗子的不同穗層之間的育性都發生分化，有的可育，有的不育。這就給兩系雜交水稻育種工作帶來了極大的困難和不利影響。無論是雜交配組還是新組合制種，無論是育性觀察還是綜合性狀的觀察都很難順利進行，從而延緩了兩系雜交水稻育種的進程。

2.2 對兩系雜交水稻生產的影響

首先，光溫敏核不育系的育性受光溫條件的控制，外界光溫條件的變化可造成不育系的育性波動，導致不育系自交結實，加大了兩系雜交水稻在生產上的利用風險。其次，目前生產上應用的不育系有許多沒有嚴格按照種子生產規程來繁殖，存在起點溫度的“漂變”現象[2]。另外，中國稻區屬于季風氣候，兩系雜交水稻制種遭遇異常低溫天氣的現象時有發生。因此，光溫敏核不育系在孕穗期間一旦碰到異常低溫天氣就會自交結實，出現“假雜種”，嚴重影響種子的純度，甚至報廢。

可以這樣說，在種子生產季節，異常低溫天氣對兩系雜交水稻生產的影響是巨大的，歷史上的教訓是慘痛的。1989年長江流域稻區出現的異常盛夏低溫天氣，不僅造成了當時已育成的絕大多數光溫敏不育系表現明顯的育性波動，給水稻生產帶來巨大的影響，而且使兩系雜交水稻育種研究遭受到重大挫折。1999年湖南省生產的兩系雜交水稻組合香兩優68，因受低溫影響而導致1300hm2制種田的種子發生嚴重混雜。2001至2002年連續兩年的秋季低溫，造成大面積兩系雜交水稻制種失敗。其中2002年8月中旬的盛夏低溫，導致江蘇、湖北等省生產的兩優培九種子有三分之一的純度不合格，不能用于大田生產。2009年，江蘇同樣遇到了這樣的氣候，母本凡是在8月20日前抽穗的絕大多數出現自交結實，生產的兩系雜交稻種子純度不合格，給種子生產企業和國家的糧食生產均帶來了巨大的損失。

3 針對異常低溫天氣的應對策略

3.1 在兩系雜交水稻育種工作上的應對策略

3.1.1加強光溫敏核不育系不育性的穩定性的研究。光溫敏核不育系早期的研究多偏重于育性轉換起點溫度及其轉換機制，對不育性表達的穩定性的重視欠缺，致使在生產應用過程中常出現由于育性轉換起點溫度漂變而導致種子生產失敗的現象。廖伏明等[3]對培矮64S、香125S、安湘S等光溫敏核不育系不育性表達不穩定的遺傳機制研究表明，不育性轉換起點溫度受微效多基因控制，不育起點溫度的遺傳基礎不純或遺傳雜合性是導致不育性表達不穩定的內在原因，從而增加了利用的風險。

3.1.2加強 “雙低”光溫敏核不育系的選育工作。陳良碧等[4]研究認為安全利用光溫敏核不育系的原則是選育生理不育起點溫度和育性轉換起點溫度均低的“雙低”不育系，并開展此類不育系的選育。也有學者認為[5]，要從根本上解決光溫敏核不育系利用的安全性問題，最好的辦法是選育具有雙重保險機制的不育系，即只有同時具備短日和低溫條件才表現可育的不育系，才能做到兩系雜交水稻種子生產過程中的“零風險”，當前已經選育出了幾個具備此特征的不育系。

3.1.3充分利用異常低溫天氣，加強育種材料的雜交配組和篩選工作。異常低溫天氣的出現，雖然對于大田生產上造成了巨大的損失，但從育種的角度出發，同時也是一種機遇。首先，在這種氣候條件下，我們可以大量淘汰育性不穩定的材料，大量淘汰不育性轉換起點溫度高的材料，從而自然篩選出不育性轉換起點溫度低的材料。在某種程度上反而加快了育種進程，減少了許多無用功，節省了許多人力和物力，提高了育種效率。其次，我們可以充分利用不育性轉換起點溫度低的材料大量雜交配組，增加了在育種后代材料中出現不育性轉換起點溫度低的材料的概率，增加了育種目標的預見性。

3.1.4加強出穗整齊的光溫敏核不育系選育工作。許多育種工作者在兩系雜交水稻的研究過程中，往往在不育系篩選中片面地追求植株的分蘗性，而忽略了植株的出穗整齊度。所以，在目前生產上應用許多光溫敏核不育系存在出穗不整齊的問題，抽穗期前后拉得較長，這在無形中增加了遇見不良低溫天氣的概率，進而增加了兩系雜交水稻制種的風險性。在此，我們認為在光溫敏核不育系的選育上，不要一味地追求不育系的分蘗性，而應注重不育系植株的出穗整齊度。另外，兩系雜交水稻的分蘗性可以通過加強父本的分蘗性選育來得到互補。

3.2 在兩系雜交水稻種子生產上的應對策略

3.2.1嚴格按照操作規程，繁殖合格的制種不育系種子。目前，許多兩系雜交水稻生產企業，對光溫敏核不育系的繁殖大多采用原種或生產用種在海南加代或當地秋播，繁殖代數較高，致使不育系不育起點溫度出現“漂變”現象，嚴重影響了種子質量。實踐證明，袁隆平提出的“核心種子”生產技術程序能有效地防止不育系不育起點溫度的“漂變”現象[6，7]。具體生產程序為：不育系單株選擇→低溫或長日低溫處理→再生留種(核心種)→原原種(低溫冷藏或根繁)→原種→生產用種。

3.2.2充分掌握父母本的特征特性，合理安排抽穗揚花期和不育系的安全育性敏感期。在雜交水稻制種中，有利于父母本抽穗、開花、授粉的時期，稱為抽穗揚花授粉安全期[8]。一般情況下，兩系雜交水稻制種抽穗揚花授粉安全期的氣象要求為：從母本見穗起至授粉結結束的十多天內，天氣晴好，日平均溫度25～28℃，揚花當天午間氣溫28～32℃，相對濕度70%～80﹪，晝夜溫差10℃左右；此期間不能出現2～3日整天雨日，抽穗當日日最低氣溫低于23℃、日最高氣溫高于35℃、或刮“火南風”、“干北風”、相對濕度低于65﹪等天氣[9]。

有研究表明，雜交水稻制種抽穗揚花期天氣與異交結實率密切相關，其中以日平均溫度對異交結實率的影響最為明顯[10]。因此抽穗揚花授粉期是否安全，是影響種子質量和產量的關鍵之一。而只有充分了解父母本的特征特性，才能制定合理的制種方案，才能確定合理的抽穗揚花期。

育性敏感期是指在光溫敏核不育系生長發育的一定時期，其核不育因子在環境因子(主要是光照和溫度)的控制下決定雄性的可育或不育，這一時期稱為育性敏感期[8，9]。不同的不育系之間育性敏感期存在一定的差異。安排光溫敏核不育系的安全育性敏感期時，應根據制種不育系的播始歷期及育性敏感期與幼穗分化的對應關系，準確推算出敏感期的預期時段，再對照當地氣象部門多年累積的氣象資料檢查預期敏感期時段內可能出現異常低溫天氣的發生頻率，預期敏感期時段的氣象安全保證率應在95%以上。若制種不育系具有光敏特性，要注意不育系敏感期內的光長變化，避免因日照時數減少導致光敏核不育系的育性改變[9]。

3.2.3合理安排種子收獲安全期，及時收獲。育性敏感安全期和抽穗揚花授粉期安全期是兩系雜交水稻制種非常重要的環節，也是育種家和種子生產企業最為關注的問題，而種子安全收獲期往往被忽視。種子安全收獲期是指種子成熟時天氣晴好，沒有連續的陰雨天氣，有利于種子的成熟，防止穗發芽，也利于收獲[11，12]。因為不育系后期經常有一部分小分蘗穗在秋季短日低溫條件下容易出現育性轉換，自交結實，如不及時收獲，這部分種子因具有發芽成苗的能力，會影響種子的純度而降低種子的質量。因此，種子安全收獲期也是非常重要的因素。

3.2.4擴大規模，分散制種基地，減低制種風險。對于得到市場的承認，市場需求量大的兩系雜交水稻組合生產量要大，適度擴大規模。這樣才能安排多個不同生態條件的適宜基地分散制種，對出現純度問題的種子才能具有緩沖余地，才能降低異常低溫天氣帶來的風險。同時，經濟實力不強，承受風險能力差的單位最好不要從事兩系雜交稻的生產。這樣才能確保種子質量和產量，保持市場穩定，才能確保種子生產、經營企業的經濟效益和維護糧農的利益，維持國家糧食生產的穩定增長。

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