雜交水稻種子生產(chǎn)教學重點探討
——種子生產(chǎn)學授課體會

2022-02-11 15:04:09許作鵬張宏根湯述翥

種子科技 2022年24期

關(guān)鍵詞：水稻

許作鵬，張宏根，湯述翥

（揚州大學農(nóng)學院植物遺傳育種與應(yīng)用生物技術(shù)系，江蘇揚州 225009）

《種子生產(chǎn)學》是研究農(nóng)作物種子繁育理論和繁種技術(shù)的一門應(yīng)用科學，是種子科學與工程專業(yè)的核心課程，也是其他植物生產(chǎn)類專業(yè)重要的選修課程[1-2]。該課程更多的是“方法論”，更強調(diào)實踐性。

由于自花授粉作物、異花授粉作物、常異花授粉作物開花授粉方式不同，自交系品種、雜交種品種、無性系品種種子繁殖方式不同，不同作物、不同品種類型的種子生產(chǎn)方法也不相同。

水稻是我國重要的糧食作物，播種面積和總產(chǎn)量均居糧食作物首位。我國也是雜交水稻生產(chǎn)利用的首創(chuàng)國。據(jù)全國農(nóng)技中心和國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國水稻播種面積約2 987 萬hm2，其中雜交水稻播種面積約1 333 萬hm2，我國雜交水稻每年制種面積210.5 萬hm2以上，產(chǎn)種約2.7 億kg[3]。因此，研究和傳授雜交稻種子生產(chǎn)技術(shù)對穩(wěn)定和促進我國的糧食生產(chǎn)具有重要意義。

1 雜交水稻種子生產(chǎn)特點

水稻是典型的自花授粉作物，雌雄同花，花器較小，1 朵穎花只結(jié)1 粒種子，不可能像玉米（雌雄異花）、棉花（花器較大）、番茄和辣椒（1 花多籽）等通過人工去雄配制雜交種。而采用化學殺雄配制雜交種，又存在施藥技術(shù)要求高、殺雄效果不穩(wěn)定的問題，影響雜交種的純度，使推廣應(yīng)用受到限制。水稻的雜種優(yōu)勢利用主要是利用雄性不育系與恢復系雜交來實現(xiàn)。

水稻是自花授粉作物，但雄性不育系自交不結(jié)實，必須授以父本的正常花粉才能受精結(jié)實，自交習性與強迫異交形成一對矛盾，可以把水稻不育系視為自花授粉作物的異花授粉品種。雜交制種是個異交過程，抽穗揚花期天氣的好壞對制種產(chǎn)量影響極大。不育系花粉敗育，開花習性差，花時遲、開花不集中，更成為影響異交結(jié)實的重要因素。因此，雜交水稻種子生產(chǎn)的技術(shù)性較強。

2 兩類雄性不育系的遺傳特點

水稻雜種優(yōu)勢利用的途徑主要有兩條，即利用核質(zhì)互作雄性不育系配制雜交稻的三系法和利用光/溫敏核不育系配制雜交稻的兩系法。兩類不育系的遺傳特點不同，不育系繁殖和雜交制種的方式也有所差異。

核質(zhì)互作雄性不育受細胞核和細胞質(zhì)不育基因共同控制，必須三系配套才可以應(yīng)用。不育系授以保持系花粉，所收雜交子代仍舊保持雄性不育，這就是不育系繁殖；不育系授以恢復系花粉，所收雜交子代恢復正常結(jié)實可直接用于大田生產(chǎn)，這個過程稱為制種，這就是“三系法”。核雄性不育系受細胞核隱性不育基因控制，找不到保持系，無法穩(wěn)定和延續(xù)雄性不育特性，因此利用受到限制。但是，光溫敏核不育系在長日、高溫條件下抽穗表現(xiàn)不育，可與恢復系雜交制種；在短日、低溫條件下抽穗表現(xiàn)可育，可用于自我繁殖，這就是“兩系法”。育性轉(zhuǎn)換受控于日長的不育系稱為光敏不育系。由于年際間日照長度是恒定的，光敏不育系的應(yīng)用比較安全。育性轉(zhuǎn)換受控于溫度的不育系稱為溫敏不育系。溫度在年際間常有波動，因此溫敏不育系的繁殖或制種相對較難掌控。育性轉(zhuǎn)換受日長和溫度共同作用的不育系稱為光溫互作型不育系。

核質(zhì)互作雄性不育系的不育性相對穩(wěn)定，在氣候條件適合水稻正常生長的任何地區(qū)或季節(jié)均可進行繁殖或制種。但也有一些不育系遇溫度異常發(fā)生自交結(jié)實現(xiàn)象，從而影響雜交制種的純度。比如，野敗型秈稻不育系天豐A 和龍?zhí)馗、BT 型粳稻不育系六千辛A等遇高溫常發(fā)生自交結(jié)實；野敗型龍?zhí)馗 遇低溫也會有少量自交結(jié)實[4-6]。自交結(jié)實屬于品種的種性問題，需要在制種時加以注意。存在的另一個問題是，BT 型和紅蓮型不育系可恢復性好、恢復譜廣、隔離不嚴，群體中容易遷入恢復基因，經(jīng)多次傳粉回交形成與不育系表型相近的同質(zhì)恢復系，從而導致不育系混雜退化[7-8]。因此，繁殖核質(zhì)互作不育系時，隔離需十分嚴格。

光/溫敏核不育系受光溫條件限制，繁殖、制種對地區(qū)或季節(jié)的選擇沒有那么自由。光/溫敏核不育系的好處是可以一系兩用，從而簡化繁殖、制種程序[9]。目前生產(chǎn)上應(yīng)用的秈稻核不育系多為高溫不育型，繁殖中存在不育起點溫度遺傳漂移現(xiàn)象[10]，即不育系群體中個體的不育起點溫度存有差異，其中高不育起點溫度的植株一般結(jié)實率偏高，其數(shù)量在繁殖過程中逐代增多，導致不育系群體的平均不育起點溫度呈逐代升高的趨勢，經(jīng)多代繁殖后，不育系喪失使用價值。例如，培矮64S 在1981 年不育起點溫度為23.3 ℃，1993 年上升至24.5 ℃，有的株系高達25.5 ℃以上，甚至個別單株高達28 ℃。因此，高溫不育型不育系的原種生產(chǎn)至關(guān)重要。

3 雜交稻親本幾種原種生產(chǎn)方法的特點和應(yīng)用

水稻光/溫敏核不育系通過自交繁殖，可參照常規(guī)水稻品種采用的“改良混合選擇法”或“株系循環(huán)法”進行原種生產(chǎn)，基本步驟仍是單株選擇、分系鑒定、混系繁殖。由于高溫不育型核不育系存在不育起點溫度遺傳漂移現(xiàn)象，選擇的單株必須在育性敏感期進行低溫處理（較不育起點溫度低0.5 ℃），抽穗后經(jīng)鏡檢花粉達到敗育標準的單株割茬再生，在低溫、短日條件下收獲結(jié)實種子，留作株行圃繼續(xù)鑒定。溫敏核不育系可采用秋繁、華南春繁、高海拔繁殖和冷灌繁殖。光敏核不育系的繁殖可采用秋繁和海南冬繁。

水稻三系原種生產(chǎn)方法的名稱繁多，操作思路大同小異，大致歸為兩類。一是選株后經(jīng)成對回交、測交鑒定建系的方法，如“成對回交測交法”；二是不經(jīng)回交、測交直接選株建系的方法，如“三系七圃法”。

國家標準《秈型雜交水稻三系原種生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程》基本是參照“成對回交測交法”制定。該法包括單株選擇、成對授粉，株行鑒定、測交制種，株系比較、測交鑒定，混系繁殖4 個步驟。其中，回交的目的是通過鑒定回交后代的不育性是否穩(wěn)定來鑒定所選保持系單株的保持性能；測交的目的是通過鑒定測交后代的表現(xiàn)來鑒定所選恢復系單株的恢復性能及其配合力。此方法相對煩瑣，但不育系純度更有保障。

陸作楣（1983）[11]提出的“三系七圃法”是三系各成體系分別建立株行圃和株系圃，不育系增設(shè)原種圃，合計七圃。該法的優(yōu)點是簡便易行，缺點是不育系株行、株系間不隔離，難免有串粉發(fā)生。準確地講，“三系七圃法”中的不育系不能稱之為株行和株系。盡管最初選擇的是不育系單株，但單株上收到的種子實際是由不同單株的保持系混合授粉得到，因此后代不宜稱為株行；而不育系株行圃是由1 個保持系株行授粉，后代也不宜稱為株系。

洪德林（1993）[12]提出了“控制授粉株系循環(huán)法”。該方法“控制授粉”的目的是排除串粉的可能，使不育系單株選擇的成功率更高。“株系循環(huán)”則替代了“三圃制”，使程序更加簡便。使用該法時，不建議用1 個保持系優(yōu)良株行作父本授粉繁殖不育系，采用單系留種可能會增加遺傳漂變的風險，宜采用一批保持系典型株行混合作父本。另外不育系株系圃若不是A、B 成對隔離繁殖，也失去了株系循環(huán)的意義，因為混合授粉不能形成株系，不如直接稱其為原種圃。

具體采用哪種方法需根據(jù)三系親本當時的純度狀況而定。三系親本純度均較好的情況下，可采用“三系七圃法”；如不育系保持系純度較差，則可采用“控制授粉株系循環(huán)法”；若恢復系的純度也存在問題，則可采用成對回交測交法。

當建立了保持系、恢復系株系圃以后，保持系、恢復系均可通過株系循環(huán)來保持其種性和純度，不育系則應(yīng)通過嚴格隔離繁殖杜絕生物學混雜。

4 雜交水稻制種的共性技術(shù)

雜交稻不同組合的不同親本具有不同的形態(tài)特征和生理特性，諸如株型、株高、穗伸出度、開穎角度以及感光性、感溫性、開花習性、對激素的敏感性等。同時，栽培水平和氣候條件也會影響制種技術(shù)措施的實施效果。因此，雜交稻制種技術(shù)不是一成不變的，需要因種、因地、因時制宜，靈活掌握。雜交水稻制種應(yīng)重點圍繞確保種子純度、父母本花期相遇和提高異交結(jié)實率3 個方面講清其共性技術(shù)。

制種純度是雜交稻種子得以生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。制種是一個異交過程，異交較自交更易發(fā)生生物學混雜，同時父、母本同種一塊田，也增加了機械混雜的概率。確保制種純度要強調(diào)幾個技術(shù)點。

一是嚴格空間隔離或時間隔離，適當結(jié)合屏障隔離作為補充；二是選用純度合格的親本種子；三是全生育期嚴格去雜，抽穗揚花期是去雜的關(guān)鍵時期，收獲前確保田間純度達標；四是杜絕機械混雜；五是雜交種必須通過純度鑒定方可生產(chǎn)應(yīng)用。

父母本花期相遇是雜交制種成功的保證。雜交稻制種涉及2 個親本，往往2 個親本生育期不一致，對光照和溫度的反應(yīng)也不同，需根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，采用“時差法”“葉差法”或“溫差法”合理安排父、母本的播種差期[13]。親本感光性較強的組合可采用“時差法”，親本感溫性較強的組合可采用“溫差法”，并輔之以“葉差法”作為參考。由于父、母本對溫度的敏感性不同以及年際間氣溫存在差異，常造成父、母本偏離預期的抽穗日期，導致花期不遇，因此預測和調(diào)節(jié)父、母本花期就顯得非常重要。一般在預計抽穗期的前30 d 開始定期剝查父、母本幼穗，根據(jù)幼穗發(fā)育進程，結(jié)合葉齡余數(shù)判斷父、母本花期相遇情況。如發(fā)現(xiàn)父、母本花期不遇，應(yīng)及早采取調(diào)節(jié)措施，比如根據(jù)氮肥可有效促進營養(yǎng)生長磷鉀肥可促進生殖生長的原理通過肥料調(diào)節(jié)；根據(jù)親本對水分反應(yīng)的差異進行水漿調(diào)節(jié)；適時適量噴施“九二〇”（赤霉素）、調(diào)花靈、多效唑等利用激素調(diào)節(jié)；以及采取重割葉、斷根、趕露水等措施人工調(diào)節(jié)，以促使父、母本花期相遇。

提高不育系的異交結(jié)實率，是獲得制種高產(chǎn)的關(guān)鍵。不同組合親本的分蘗性、穎花量、花粉量（指父本）、開花習性不同，栽插前需要確定一個適合的行比。不育系見穗至始穗期割葉，可以減少授粉障礙。抽穗始期噴施“九二〇”是雜交稻制種的關(guān)鍵技術(shù)，“九二〇”噴施不育系后可消除包頸，增加柱頭外露率；噴施恢復系可提高父本穗層高度，便于傳粉。“九二〇”的噴施劑量、噴施時期及噴施次數(shù)因不同組合而異，也應(yīng)根據(jù)親本的抽穗狀況和花遇情況靈活掌握。不育系花時較恢復系遲，清晨趕露水有利于升溫降濕，促使不育系提早開花，提高父、母本的花時相遇率。人工輔助授粉可以人為地改變父本花粉的排放速度、飛散方向和傳播距離，特別是在無風和微風的天氣，能促使更多的花粉均勻下落在母本穗層，是雜交水稻制種不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)之一，對提高制種產(chǎn)量起重要作用[14-15]。

5 三系、兩系制種及秈稻、粳稻制種的差異

兩系雜交稻制種和三系雜交稻制種的基本原理相同。所不同的是，核質(zhì)互作不育系只要氣候條件適合水稻的正常生長就可以制種，而光/溫敏核不育系的育性表達受光、溫條件的限制，制種地區(qū)和季節(jié)的安排沒有那么自由。兩系雜交稻制種需要關(guān)注以下幾點。

一是所選用的光/溫敏核不育系在制種地區(qū)必須有30 d 以上的不育期；二是制種期內(nèi)需加強對光/溫敏核不育系育性的監(jiān)控，如遇特殊低溫、育性可能出現(xiàn)問題，需采取灌深水保溫、化學殺雄等作為補救措施；三是在栽培上不育系需適當密植，培育發(fā)育整齊的群體，減少不同蘗位幼穗的發(fā)育差異，使抽穗更加集中；四是適時收割，以避免后期不育系地上節(jié)長出的分蘗穗灌漿結(jié)實，減少自身混雜機會。

雜交秈稻制種和雜交粳稻制種也有所不同。從光溫反應(yīng)來看，秈稻偏感溫，在長江流域以南地區(qū)（除高海拔地區(qū)外）均可制種；而粳稻偏感光，受到不同緯度日照長度的限制，同一組合制種區(qū)域有限。從利用的細胞質(zhì)源來看，我國推廣的三系雜交稻以秈稻為主，其中野敗型（包括岡型、印野型、D 型、矮敗型等）不育系以其不育性穩(wěn)定而得以在生產(chǎn)利用中占主導地位，紅蓮型不育系少有應(yīng)用；雜交粳稻主要利用BT 型（包括滇I 型）不育系。