水稻秈粳雜種不育性的遺傳機理及雜種優勢利用

郭 潔，劉少隆,2，周新橋，陳達剛，陳可，葉嬋娟，李逸翔,3，劉傳光，陳友訂

（1.廣東省農業科學院水稻研究所/ 廣東省水稻育種新技術重點實驗室/ 廣東省水稻工程實驗室/農業農村部華南優質稻遺傳育種重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.仲愷農業工程學院農業與生物學院，廣東 廣州 510225；3.廣東海洋大學濱海農業學院，廣東 湛江 524088）

水稻（Oryza sativaL.）是最重要的糧食作物之一，世界上50%以上的人口以稻米為主食［1］。面對當今嚴峻復雜的國內外形勢，高產水稻的選育對保障我國糧食安全至關重要［2-3］。20 世紀60 年代矮化育種和70 年代雜種優勢利用，使水稻的單產水平發生了兩次質的飛躍［4］。隨著世界人口數的不斷增加及耕地面積的急劇減少，水稻的產量已經無法滿足人們的需求，水稻的超高產育種對于解決人類糧食問題具有重要意義。目前雜交水稻主要是運用種內雜交，如秈稻與秈稻雜交，粳稻與粳稻雜交，雙親的遺傳距離較近，差異小，雜交稻的雜種優勢受到了很大的限制，亟需增大雙親的遺傳距離，使水稻的產量得到進一步的提高［5-6］。

亞洲栽培稻（Oryza sativaL.）為稻屬（Oryza）中兩個栽培種之一，在世界各地廣泛栽培。秈稻（Oryza sativaL.indica）和粳稻（Oryza sativaL.japanica）是亞洲栽培稻兩個彼此獨立的亞種，在形態、生理和基因水平上存在很大差異，兩者雜交將會產生強大的雜種優勢，主要表現在植株高度、根系發達、有效穗及粒重顯著提高等方面［7-8］。水稻秈粳亞種間雜交水稻也被稱為第5 代（5G）水稻，能夠充分利用秈粳亞種間強大的雜種優勢，進一步提升水稻的產量潛力，將是水稻的又一重大變革［9-10］。但是，亞種間雜種F1的結實率偏低，表現為不育或半不育，限制了亞種間的遺傳交流，嚴重阻礙了亞種間雜種優勢的利用［10-12］。

克服秈粳亞種間雜種不育性是使秈粳亞種間的雜種優勢得到充分利用的關鍵。為此，眾多科學家對水稻亞種間雜種不育進行深入研究，發現秈粳亞種間雜種不育的分子機制非常復雜。目前，已定位50 多個雜種不育位點，其中12 個不育位點已經被克隆［13］。此外，廣親和基因（Widecompatible genes，WCGs）和廣親和品種（Widecompatible varieties，WCVs）的發現為克服亞種間雜種不育提供了可能，含有廣親和基因型的材料無論與秈稻還是粳稻雜交，雜種都能正常結實或結實率較高，是克服秈粳亞種間雜種不育的重要資源［14］。隨著雜種不育機理研究的深入，通過秈粳架橋、培育多基因聚合的廣親和系或粳型親秈系、基因編輯技術等途徑能夠顯著提高秈粳亞種間雜種的結實率［13］。本文綜述了水稻秈粳亞種間雜種不育的遺傳基礎和分子調控機理，以及克服秈粳亞種間雜種不育的方法策略，對5G 水稻的推廣和雜交水稻產量的提升提供重要的理論基礎。

1 水稻秈粳分化與雜種優勢

秈稻和粳稻是亞洲栽培稻的2 個亞種，其中秈稻主要分布在低緯度的亞熱帶地區，如我國南部沿海和淮河以南的低海拔地區，而粳稻主要分布于亞洲東部的溫帶地區，如我國秦嶺淮河以北等溫度較低的地區，及亞洲東南部和高海拔的亞洲南部地區。

1.1 亞洲栽培稻的秈粳分化

秈粳分化是亞洲栽培稻分化的主流。在自然和人工的雙重選擇下，秈稻與粳稻在形態學和生理學，包括株型、粒型、葉色和對光溫的敏感性等方面存在很大的差異。鑒定稻屬資源的秈粳類型一般采用形態學鑒定和分子標記分類法。形態學鑒定主要是采用以6 個易于觀測的形態性狀（稃毛、酚反應、第1～2 穗節間長、抽穗時殼色、葉毛及谷粒長寬比）為主要指標的“程式指數法”［15］。分子標記分類法早期主要是利用同工酶標記、RFLP (Restriction fragment length polymorphism)、SSR (Simple sequence repeats)、RAPD (Randomly amplified polymorphic DNA)、rRNA (Polymorphic ribosomal DNA)等分子標記鑒定稻屬資源秈粳屬性，揭示了秈稻和粳稻在基因組中存在著廣泛的差異［16-19］。隨著測序技術的發展及成本的降低，重測序技術逐步應用在秈粳分化領域，通過對大量的秈稻和粳稻品種進行全基因組測序，表明了秈稻和粳稻兩個群體間存在大量序列變異和結構變異，并針對于特異性差異設計出InDel 或SNP標記，能夠更準確高效地鑒定秈粳類型及秈粳分化程度［21-24］。

1.2 亞種間雜種優勢

水稻雙親間的遺傳距離與雜種優勢的強度呈正相關，因此秈粳亞種間雜種F1在營養器官和產量上表現出強大的雜種優勢［25-26］。袁隆平［27］提出雜交水稻的3 個發展階段，即品種間、亞種間和遠緣雜種優勢的利用，秈粳亞種間的雜種優勢有望成為雜交水稻進一步提升產量的有效途徑。依據遺傳背景的差異，秈粳亞種可進一步劃分為典型秈稻、秈稻、偏秈、中間型、偏粳、粳稻及典型粳稻7 種類型，其中爪哇稻主要是指熱帶粳稻，介于秈亞種和粳亞種的中間類型［28］。Yuan［29］研究發現亞種間內雜種優勢強度的趨勢為秈/粳＞秈/爪＞粳/爪＞秈/秈＞粳/粳。近年來，已有不少秈粳間雜種利用成功的例子，秈粳亞種間雜種F1在分蘗數、單株稈重、每穗總粒數、單株莖數、株高和穗長等性狀方面表現出明顯的優勢，如利用具有廣親和基因的秈型兩系不育系64S 與粳稻材料R2859 配組，育成耐寒性和抗逆性顯著優于親本的培兩優2859［30］。邢運高等［31］利用廣親和兩系不育系9311S 與粳稻配置40 個組合，雜種F1在株高、穗長、單株產量等8個性狀具有正向超親優勢和競爭優勢。但是，典型的秈粳亞種間雜交稻組合較少，還有較大的提升空間。張桂權［9］提出秈粳亞種間雜交水稻將是第5 代(5G)水稻，這一代水稻能夠充分利用秈粳亞種間的雜種優勢，使水稻的產量潛力得到進一步的挖掘和提升。

2 秈粳亞種間生殖隔離

秈粳亞種間遺傳分化造成的兩者間顯著差異是決定其雜種優勢的重要因素，但受限于亞種間的生殖隔離。生殖隔離指的是兩個不同種或亞種的個體之間不能雜交產生后代，或者產生的雜種后代不育。生殖隔離具有多樣性，根據其發生時期，可分為兩大類：一類是合子前生殖隔離，即生殖隔離發生在形成合子之前，通過阻止合子的產生而導致生殖隔離，主要包括地理隔離、生態隔離、季節隔離、生理隔離、形態隔離和行為隔離等多種形式；另一類為合子后生殖隔離，主要包括雜種衰敗、雜種劣勢和雜種不育等形式［32］。

2.1 雜種衰敗

雜種衰敗是生殖隔離的一種重要形式，雜種F1表現為正常可育，但其雜種后代或回交后代的個體表現衰弱不能成活或者不育。雜種衰敗是由1 個或多個隱性基因控制的，其遺傳機制非常復雜，目前為止，關于控制雜種衰敗相關基因的精細定位與克隆的報道還較少，隱性互補基因hwe1和hwe2、hbd2和hbd3目前已被精細定位在水稻染色體上控制水稻秈粳亞種間的雜種衰退，其F2后代中會出現矮化、少分蘗的表型［33-34］。隱性基因hbd2和hbd3是控制雜種衰退的兩個重要基因，hbd2編碼1 個酪蛋白激酶基因，其等位基因hbd2-CKI1由于單個氨基酸的變化獲得了有害的功能；hbd3被定位到1個NBS-LRR 基因簇區域內，hbd2和hbd3兩者結合可能異常觸發了水稻的自身防衛反應，從而造成了雜種衰敗，其弱勢表型可能是由于自身免疫應答所引發［34］。

2.2 雜種劣勢

雜種劣勢是合子后生殖隔離現象，雜種F1在營養生長階段表現為萎縮黃化、分蘗減少、矮化、死亡等。目前已在水稻不同染色體上初步發現10 多個基因位點與雜種劣勢現象相關［35］，其中Hwc1和Hwc2是控制雜種劣勢的重要基因［36-37］。Hwc1被精細定位于第1 號染色體長臂上60 kb 的區間內，Hwc2精細定位到了第4 號染色體19 kb的區間內。Hwc1和Hwc2兩個位點中的一個顯性純合一個顯性雜合時或兩個都顯性雜合時則會使雜種F1表現出弱勢，而當這兩個位點任意一個隱性純合時，植株生長正常，不會產生雜種弱勢。

2.3 雜種不育和廣親和性

雜種不育屬于子后生殖隔離，是最常見的亞種間生殖隔離形式。水稻品種間雜交后代的小穗育性一般高于50%，而秈粳雜交產生的后代的小穗育性普遍低于亞種內的雜種［7,38］。引起雜種不育的原因有很多，包括雄配子體敗育、雌配子體敗育、雌雄配子體不親和、花藥不開裂以及環境因素等，其中雌雄配子體敗育是秈粳雜種不育的主要形式［39-40］。此外，部分水稻品種進行雜交配組時，與秈稻或粳稻雜交的后代均為正常可育，且正反交對育性無明顯影響，這一部分品種被稱為廣親和品種，這些品種中控制秈粳雜種育性的位點則被稱為廣親和基因［14,41］。

3 秈粳亞種間雜種不育性的遺傳機理

秈粳亞種間雜種不育具有普遍性和復雜性，受多個不育基因座控制。隨著分子標記技術的發展與應用，目前已鑒定出50 多個雜種不育數量性狀位點（Quantitative trait loci，QTL）和基因，分別分布在水稻的11 條染色體上［11-12,42-43］。大多數的基因/QTL 只是被鑒定或初定位，或只出現在特殊的雜交組合，目前僅有12 個雜種不育座Sa、S5、HSA1、S7、S1、Sc、qSHMS7、ESA1、DPL1/DPL2、S22、S27/S28和DGS1/DGS2被克隆［11-13,43-44］。

水稻種間雜種不育基因或QTL 的定位或克隆，對克服秈粳亞種F1不育性具有一定的指導意義，目前已有4 個種間雜種不育座被克隆。其中，雜種不育座S1是控制種間雜種不育的重要基因，非洲栽培稻等位基因S1-g 由3 個緊密連鎖的基因S1A4、S1TPR和S1A6（SSP）形成復合體共同調控雜種F1育性，S1TPR基因還起到保護非洲稻型S1-g 型配子免于敗育的作用，呈現非對稱遺傳互作［45-46］。在亞洲栽培稻O.sativa和雜草稻雜交組合中，雜種不育基因座S22被定位在第2 染色體的短臂末端，發現它是由兩個基因S22A和S22B組成的，并且這兩個基因是獨立地導致雜種F1的花粉敗育，其中S22B編碼一個DUF1668蛋白，在花藥中特異表達［47］。雜種不育基因座S27和S28共同作用導致了雜種F1的花粉敗育，其中S27-T65 和S28-glum 都編碼一個與呼吸作用有關的線粒體蛋白mtRPL27，該蛋白的缺失會導致呼吸作用無法正常進行，從而使雜種F1花粉敗育。因此，當雄配子含有S27-T65 或S28-glum 至少1 個基因時，不會發生敗育，只有“雙隱性”（S27-glum/S28-T65）時雄配子才會發生敗育［48］。此外，在亞洲栽培稻O.sativa和1 年生普通野生稻Oryza nivara組合中鑒定出一組基因DUPLICATEDGAMETOPHYTICSTERILITY1(DGS1)和DGS2，分別位于第4 和第7 號染色體上，互相作用導致種間雜種F1的花粉不育。在雜種F1中，攜帶DGS1-nivaras 和DGS2-T65s 等位基因的雄配子才會表現為敗育［49］。該基因組和雜種不育基因組S27/S28屬于同一種基因互作模式。

此外，水稻秈粳亞種間雜種不育是受多個基因控制的。張桂權等［50-52］利用臺中65 的F1花粉不育近等基因系統地研究了亞種間雜種不育性，提出“特異親和”的學術觀點，并認為秈粳雜種不育性至少受Sa、Sb、Sc、Sd、Se和Sf6 個花粉不育基因座的控制。隨后各研究團隊利用不同的近等基因系、單片段代換系、低代回交群體定位了30 多個雜種不育位點，例如DPL1、DPL2、S24、S25和S35等基因導致雜種F1敗育［11-13,43-44］。Guo 等［53］發現秈粳亞種間雜種不育性主要受花粉不育基因座Sb、Sc、Sd和Se以及胚囊不育基因座S5控制。目前，僅克隆了3 個不同的花粉不育座Sa、Sc、DPL1/DPL2和3 個雌性不育座S5、HSA1、S7［11-13,43-44］。

3.1 花粉不育基因定位、克隆與功能分析

莊楚雄等［54］將Sa座位定位在第1 號染色體標記CDO548 附近。Long 等［55］克隆雜種不育基因座Sa，該位點由相鄰兩個基因組成，其中SaF編碼一個F-box 蛋白（F-box protein），等位基因SaM則編碼一個泛素修飾因子E3 連接酶（small ubiquitin-like modifier E3 ligase-like protein），并提出“兩基因/三元件(two-gene/three-component interaction model)”的互作模型，指出大多數秈稻品種基因型是SaM+SaF+，粳稻品種基因型是SaM-SaF-，而SaF+與SaM-能夠直接互作以及與SaM+間接作用，導致攜帶SaM-的花粉敗育引起秈粳雜種花粉半不育，并且SaM+、SaM-和SaF+三者缺一不可。這種模型能夠很好地解釋了秈粳亞種間的雜種不育性［55］。

Li 等［56］利用T65 和其近等基因系E2 將不育基因Sb座定位在分子標記A8 和A14 之間約27 kb 的區間內，該區域內存在7 個ORF。Zhao等［57］在CSSL/Asominori 雜交組合中發現一個新的雜種不育位點S24，并將其精細定位于水稻第5 號染色體上約42 kb 的區間內，通過位置比對發現S24和Sb可能為同一基因座，ORF2為目的基因，編碼一個錨定蛋白ANK-3。此外，雜種雌性不育位點S31精細定位于第5 號染色體短臂上標記InDel193 與InDel212 之間，與Sb基因座的定位區間相鄰［58］。

花粉不育位點Sc定位在水稻第3 號染色體上，該基因的結構變化和拷貝數的差異導致雜種雄性不育。粳稻的等位基因Sc-j只有1 個花粉正常發育必須的編碼DUF1618 蛋白的基因，而秈稻攜帶的等位基因Sc-i存在序2-3 個拷貝數。在Sc-i/Sc-j 雜種F1，Sc-i的高表達極大地抑制了Sc-j的表達，造成攜帶Sc-j的雄配子選擇性敗育［59］。

Li 等［60］利用近等基因系發展作圖群體將Sd定位在第1 號染色體分子標記PSM93 和PSM74之間約67kb 的范圍內，基因注釋表明該區域內有17 個預測ORF。朱文銀等［61］將花粉不育位點Se初步定位于水稻第12 染色體上；Win 等［62］將雜種不育基因座S25定位于水稻第12 染色體上標記G24 和G189 之間；Chen 等［63］在Nekken2/YeongPung 雜交組合中定位了一個雜種雌性不育位點S35（t），位于第12 染色體短臂上，與標記RM19 和RM6269 連鎖，根據位置比較分析，S35（t）、S25和Se很可能為同一基因座或同一位點的不同等位基因。

Mizuta 等［64］將DPL1、DPL2兩個秈粳雜交花粉不育位點定位在第1、6 染色體，DPLs 編碼一種高度保守的植物特異的小分子蛋白。其中DLP1-N+和DLP2-K+為2 個有功能的等位基因，共同控制雜種F1花粉的萌發，而DLP1-K-和DLP2-N-這兩個等位基因不能正常表達，因此在雜種F1產生的雄配子中，只有同時攜帶DLP1-K-和DLP2-N-的花粉粒才不能正常萌發，從而導致雜種F1不育。

3.2 雌性不育基因克隆與功能分析

1986 年，Ikehashi 等［41］發現一個導致秈粳雜種F1胚囊敗育的基因，命名為S5，并將S5座初步定位在水稻第6 染色體。隨著研究的深入，更多的雌性不育座S7、S8、S9、S15、S17、S26（t）、S31和S35（t）等被發現和定位［11-12,42-43］。

雜種不育基因S5編碼一個天冬氨酰蛋白酶（aspartic proteases，APs），通過控制雌配子的育性而影響水稻雜種F1的結實率，其中秈型等位基因S5-i和粳型等位基因S5-j之間僅有兩個堿基的差別，分別引起相應蛋白質中心結構域Phe-273和Ala-471 兩個氨基酸的替換，造成其雜種不育。而S5-n基因則在其編碼蛋白的N 末端有136 bp序列的缺失，從而喪失了基因功能，因此S5-n基因無論與秈稻還是粳稻雜交，都不影響雜種F1的育性［65］。Yang 等［66］提出S5座是由3 個基因共同控制，其中ORF3基因與熱激蛋白Hsp70基因具有同源性，它能夠保護胚囊免于敗育，被稱為保護者；ORF4基因編碼一個跨膜結構域蛋白，隨后提出了控制水稻秈粳亞種間雜種F1育性的“殺手與保護者（killer-protector）”互作模型。在雌配子發育過程中，ORF4+和ORF5+作為殺手，共同作用導致攜帶ORF3-的粳型配子敗育，而秈型配子由于保護者ORF3+的存在而正常存活，最終使亞種間雜種F1表現為半不育；而廣親和品種缺失ORF4+和ORF5+之一或者全部缺失而失去了破壞胚囊育性的功能，故與秈稻及粳稻均能產生正常可育的后代［66］。隨后，Rao 等［67］在秈粳雜交群體中初定位4 個主效QTL，與S5座相互作用共同控制秈粳亞種間雜種不育性。

雜種不育基因S7被定位在水稻第7 染色體，S7-ORF3基因編碼編碼TPR（tetratritricopeptide repeat）結構域蛋白，在雌性配子體的形成過程中，雜合體的S7-ai/S7-cp和S7-ai/S7-i，S7-ai的高表達會導致攜帶S7-cp和S7-i的配子不育，從而導致胚胎敗育［68］。

秈粳亞種間雜種雌性不育由3 個互補的基因組HSA1、HSA2和HSA3控制，分別位于第12、8、9 染色體。通過克隆發現HSA1基因座由兩個相互作用的基因組成，即HSA1a和HSA1b，其中HSA1a-i編碼一個特異性DUF1618 蛋白，HSA1b-i編碼類核酸結合蛋白，但是在HSA1b-i/HSA1b-i的雜種中，攜帶HSA1a-j的雌配子敗育從而導致秈粳雜種不育［69］。

水稻秈粳亞種或種間雜種不育由多個基因共同控制，水稻種間或亞種間50 多個雜種不育基因的定位、12 個不育座/組合的克隆及分子機理的揭示將對克服雜種不育、提高秈粳亞種間雜種F1的育性、亞種間雜種優勢的利用奠定了良好的基礎。

3.3 雜種不育的遺傳模式分析

自20 世紀50 年代以來，眾多遺傳育種學家就亞種間雜種不育性和遺傳機理進行了深入的研究。到目前為止，已提出了多種水稻秈粳雜種不育的基因作用模型，將栽培稻雜種不育基因作用模式歸納為單位點孢子體-配子體互作、重復隱性基因配子致死、互補孢子體不育和單座位孢子體不育4 種模式［70-71］。Ouyang 等［32］根據水稻雜種不育基因的功能和作用方式，提出3 種水稻雜種不育基因的演化模式，即平行演化模式（Parallel divergence model）、連續演化模式（Sequential divergence model）和平行-連續演化模 式（Parallel-sequential divergence model）。謝勇堯等［72］提出3 種雜種不育的分子遺傳機制，分別為特定配子顯性致死的遺傳機制、特定配子選擇性顯性保護的遺傳機制和重復隱性致死的遺傳機制。單位點孢子體-配子體互作模型、非等位重復隱性基因致死模型可以解釋大部分雜種不育現象。

單位點孢子體-配子體互作模式已被廣泛用來解釋雜種不育的現象。最早由Kitamura［70］提出，后被發展成為等位基因互作模型［41］，該模型假設在同一座位上秈稻和粳稻分別攜帶純合的S-i和S-j等位基因，在雜種F1中該座位的基因型為S-i/S-j，且攜帶S-j等位基因的配子發生敗育，從而使雜種F1表現為不育；而中性等位基因S-n與秈型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j雜交F1代均表現為正常育性。等位基因互作模式能較好地解釋雜合不育座的等位基因互作導致攜帶粳型等位基因S-j的配子敗育的遺傳現象，目前已經鑒定的雜種不育基因大多數都符合單座位孢子體-配子體互作模式，已經克隆的12 個水稻雜種不育基因中有7 個位點S1、S5、S7、Sa、Sc、HSA1和qHMS7符合該模式［12］。如胚囊不育基因座S5存在3 個等位基因，分別為秈型等位基因S5-i、粳型等位基因S5-j和中性基因S5-n；而在雜種F1中，基因型為S5-i/S5-i、S5-j/S5-j、S5-n/S5-n、S5-n/S5-i和S5-n/S5-j的植株都為正常可育植株，而基因型為S5-i/S5-j的植株由于攜帶S5-j的配子敗育表現為半不育［65］。花粉不育基因座Sa也存在3 種等位基因Sa-n（SaM+SaF-）、Sa-i（SaM+SaF+）和Sa-j（SaM-SaF-），同樣符合等位基因互作模式［55］。

重復隱性基因配子體致死模式最先由Oka［71,73］提出，又稱非等位基因互作不育理論，認為亞種間雜種不育性是由兩組獨立遺傳的配子發育基因控制，雜種F1個體中同時帶有兩個不同座位隱性基因的配子敗育。例如，S27/S28、DPL1/DPL2、DGS1/DGS23 對雜種不育基因座的作用機制都符合重復隱性基因配子致死模型［48-49,64］。例如，在雜種F1產生的雄配子中，只有同時攜帶DLP1-K-和DLP2-N-的花粉粒才不能正常萌發，從而導致雜種F1不育。

此外，秈粳亞種間雜種不育基因座的遺傳效應具有疊加性，在同一個雜交組合中，多個不育基因座同時為雜合存在時引起的雜種F1敗育程度更加嚴重。例如，相比于單個不育位點等位基因互作，基因型為SaiSajSbiSbj或SaiSajSbiSbjSciScj的雜種F1表現出更低的花粉育性［74］。

4 秈粳亞種間雜種不育性的克服及雜種優勢利用

秈粳之間強大的雜種優勢的利用是進一步提高水稻產量的一種有效途徑，但是普遍存在的雜種不育的現象嚴重阻礙了亞種間雜種優勢的利用。目前眾多遺傳育種學家已提出一些方法或策略用以克服秈粳雜種不育性，從而實現亞種間雜種優勢的利用。

4.1 克服秈粳亞種間雜種不育性的有效途徑

目前提高秈粳雜種的結實率的途徑可歸納為4 種：（1）利用“秈粳架橋”培育亞種間滲入水稻；（2）利用廣親和基因培育廣親和系；（3）通過聚合秈型等位基因到粳稻品種中培育粳型親秈系；（4）應用基因編輯等技術創制無功能的等位基因培育廣親和系。

4.1.1 秈粳架橋培育亞種間滲入水稻 亞種間滲入水稻，包括滲粳常規秈稻、滲秈常規粳稻、滲粳雜交秈稻和滲秈雜交粳稻［9］。早在20 世紀，楊振玉等［75］利用“秈粳架橋”育成C57 等滲秈的粳型恢復系。隨后，童漢華等［76］通過人工雜交培育出偏秈型廣親和恢復系T2070，與秈型三系不育系配組，組合表現出顯著的雜種優勢。此外，我國第一大兩系不育系廣適性光溫敏不育系Y58S 也是利用粳稻滲入秈稻的策略育成的，目前已組配了100多個組合。鄧啟云［77］利用“秈粳架橋”的育種方法培育亞種間滲入水稻在一定程度上提高了秈粳亞種間雜種F1 的結實率，打破了亞種間的生殖隔離，但是該方法具有局限性，只能部分利用秈稻和粳稻的豐富的種質資源，一定程度上限制了亞種間的雜種優勢的利用。

4.1.2 利用廣親和基因培育廣親和系 廣親和品種和廣親和基因的發現為克服秈粳雜種不育提供了可能［41］。1979 年日本最早對廣親和材料進行系統篩選和選育，我國及國際水稻所也相繼開展工作并取得了顯著成效。育種家利用兩系或者三系配法，選育了一大批廣親和系，如02428、培C311、輪回42 等。

目前已經鑒定的秈粳雜種不育基因大多數都符合等位基因互作模式，中性等位基因S-n與秈型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j雜交F1代均表現為正常育性。多項研究表明雜種不育基因座S5的S5-n等位基因具有廣親和性，能夠與S5-i秈型等位基因以及S5-j粳型等位基因結合產生具有正常胚囊育性的雜種F1代［65-66,78-79］。目前一系列雜種不育位點的中性基因如Sa-n、Sb-n、Sc-n 等被挖掘出來［80-82］，這些廣親和基因的利用有利于秈粳亞種間雜種不育性的克服。

此后，Ouyang 等［42］提出將多個廣親和基因聚合到一個優良品種中，培育超級廣親和品系WCLs，通過優良的親本雜交可以獲得具有強大雜種優勢且育性正常的雜交植株，從而實現了克服亞種間雜種不育性的設想。張桂權［9］提出利用雜種不育基因座位的S-n等位基因替代秈稻中的S-i等位基因，培育“秈型廣親和系”，或替代粳稻中的S-j等位基因，培育“粳型廣親和系”，解決秈粳亞種間雜種F1結實率低的問題。根據雜種不育基因遺傳效應的疊加性，多個廣親和基因的聚合可以很大程度提高秈粳亞種間雜種F1的結實率。例如，相比與雜交親本具有單個廣親和性基因的，基因型為SaiSanSbiSbnSciScn或SbjSbnSdjSdnSejSen的雜種F1 的花粉育性得到很大程度的提高［83-84］。Guo［53,79］等發現秈粳亞種間雜種不育性主要受花粉不育基因座Sb、Sc、Sd和Se 以及胚囊不育基因座S5控制。

Mi 等［85］在秈稻品種9311 中聚合了胚囊不育基因座S5的中性等位基因S5-n 和花粉不育基因座f5的中型等位基因f5-n，將其與粳稻測交能夠提高秈粳雜種F1的小穗育性，培育出的恢復系組配的部分秈粳雜交組合的結實率可以達到生產應用水平。Ma 等［86］在秈稻品種9311 中聚合S5、f5、S32、Sa基因的中性等位基因，與粳稻測交能夠提高雜種F131.4%～55.0%的小穗育性。Guo 等［79］通過聚合育種培育出華粳秈74 廣親和系，在5 個雜種不育座位S5、Sb、Sc、Sd和Se都攜帶S-n基因，與秈稻和粳稻測驗種雜交的F1花粉育性和小穗育性都表現為基本正常，表明了華粳秈74 廣親和系對秈稻和粳稻測驗種都具有親和性，可以用來克服秈粳亞種間雜種不育性。

4.1.3 聚合育種創制粳型親秈系 張桂權等［87-88］在“特異親和”的理論基礎上首次提出通過培育粳型親秈系（Indica-compatible japonica line，ICJL）,在此基礎上又提出“粳型親秈系的分子育種”這一概念，即利用分子標記輔助選擇技術將多個雜種不育基因座位上攜帶的S-i基因聚合到同一粳型品系中選育出粳型親秈系，同時也將更多的抗蟲、抗病和育性恢復基因聚合到所創建的粳型親秈系中，從而培育出攜帶更多優良基因的、具有更多優良性狀的粳型親秈系。

Chen 等［89］利用分子標記輔助選擇，在粳稻鎮稻88 的4 個雌性不育基因座上導入秈稻片段，同時也導入了秈稻中的光溫敏不育基因以及黃葉形態標記，選育出粳型親秈光溫敏不育系509S。Guo 等［53］利用分子標記輔助選擇將Sb、Sc、Sd和Se座的S-i基因和S5座的S5-n等位基因聚合到粳稻品種中，培育出粳型親秈系，該材料對粳稻完全不親和，而對秈稻具有親和性，能夠和秈稻測驗種雜交產生具有正常育性的后代，能夠有效克服秈粳亞種間雜種不育性。此外，也可將恢復基因RF3和RF4導入到所獲得粳型親秈系中，培育出粳型親秈恢復系，應用于三系育種，從而培育出具有強雜種優勢的雜交種。

4.1.4 基因編輯創制廣親和系 隨著現代生物育種技術的發展，越來越多的雜種不育座位被鑒定、克隆，在利用自然界已有的種質資源的同時，可應用CRISPR/Cas9 基因編輯技術可以在已知的雜交不育基因座快速產生無功能的等位基因，從而加快廣親和系的培育。如通過敲除Sc座位的Sc-i拷貝中的一個或兩個，減少Sc-i的基因劑量，從而恢復Sc-j的正常表達，創制出Sc-n等位基因［90］；或應用CRISPR/Cas9 方法對Sa基因座兩個基因SaF和SaM進行編輯，快速創建Sa-n等位基因［91］。此外，也可利用基因編輯技術將培育的廣親和系的光溫敏基因進行定點編輯，能夠快速育成廣親和不育系。因此，應用基因編輯技術定點編輯雜種不育座位，能夠快速有效地克服秈粳亞種間的雜種不育性。

4.2 秈粳亞種間雜種優勢的應用

目前，我國半矮桿水稻和種內雜交水稻已取得重大成就［92-94］，為了進一步提升水稻的產量潛力，隨著秈粳亞種間雜種不育性的克服，我國雜交水稻育種正在從品種間雜種優勢利用逐漸邁向亞種間的雜種優勢利用，秈粳亞種間雜交水稻作為5G 水稻已經逐步走向市場，實現產業化。

三系法和兩系法是實現秈粳雜種優勢利用的重要途徑，其中兩系法配組自由，可以擺脫恢保關系的限制，目前已經廣泛應用在秈粳雜交育種方面。例如，利用廣親和基因與兩系光溫敏不育系配成兩優培9、Y 兩優1 號、Y 兩優2 號等雜交組合，F1表現出顯著超親優勢［95］；邢運高等［31］以廣親和兩系不育系9311S 為母本，粳稻品種為父本，配置兩系雜交組合，雜種F1在穗長、粒數、粒重等方面表現出顯著優勢。

三系法則是利用秈型或粳型雄性不育系與粳型或者秈型恢復系配組，形成“秈不粳恢”、“粳不秈恢”的雜交配組模式。目前已培育了一些秈粳亞種間的雜交品種湘兩優900、江兩優7901、“甬優系列”和“春優系列”等［96-99］，在生產上體現了更強的產量優勢。近幾年，廣東省植物分子育種重點實驗室通過聚合育種，將廣親和基因導入優良的恢復系，培育一批秈型廣親和恢復系，對粳型不育系具有親和性，與其測交的雜種F1表現為正常結實率，并表現出強大的雜種優勢和很大的產量潛力，在生產上將具有很好的應用前景。

5 展望

秈稻和粳稻是亞洲栽培稻的兩個亞種，兩者在形態學、生理學以及基因水平上存在顯著性差異，亞種間的遺傳差異將會產生強大的雜種優勢，能夠進一步提高我國水稻的產量。近年來，雜種優勢的利用也逐漸從秈粳亞種內過渡為亞種間，秈粳亞種間雜交水稻逐步走向市場，這是水稻發展的必然，勢在必行。但是，秈粳亞種間雜種不育性嚴重阻礙了雜種優勢的利用。亞種間雜種不育性是非常復雜的，目前已鑒定了50 多個雜種不育基因或QTL，克隆了12 個雜種不育基因，并闡明該基因的分子機理。大多數基因符合等位基因互作模式，廣親和基因S-n與秈型等位基因S-i以及粳型等位基因S-j雜交F1代均表現為正常育性，目前一系列雜種不育位點的廣親和基因等被挖掘出來，這些廣親和基因的利用有利于秈粳亞種間雜種不育性的克服。根據已克隆的基因及分子機理，以及對廣親和基因的深入認識，提出了利用秈粳架橋培育亞種間滲入水稻，聚合育種培育廣親和系和粳型親秈系，以及應用基因編輯等技術創制廣親和系等途徑，克服秈粳亞種間雜種不育性，精準化改良秈粳雜種的結實率，從而實現了亞種間雜種優勢的利用。但是，亞種間雜交水稻的產業化還需要解決多方面問題，如雜種F1株高偏高、生育期短、米質較差、雜交種制種產量低等問題。總之，秈粳亞種間雜交水稻的推廣應用，將會實現亞種間強大雜種優勢的利用，提高水稻的產量潛力，推動水稻產業的又一次重大變革。