水稻籼粳杂种F1不育性研究新进展

摘要：水稻籼粳杂种不育性是亚种间杂种优势利用的主要障碍。本文首先就影响亚种间杂种F1不育的主要因素及两个主要基因遗传模式进行总结；然后详细综述了相关育性基因的鉴定、定位和克隆等方面研究成果；最后综述了有关克服籼粳亚种间杂种不育性的两个代表性观点，并提出自己简单的看法。

关键词：水稻；杂种不育性；广亲和基因；特异亲和基因；基因克隆

中图分类号：S511.035.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2013）08-0131-06

籼稻和粳稻是亚洲栽培稻的两个亚种，它们在产量、品质和抗性等方面具有很大的互补性，其杂种F1具有很强的优势_[1]。水稻亚种间杂种优势利用与株型育种相结合是品种选育的主要研究方向之一，也是当今普遍认为的水稻育种的第三次绿色革命_[2]。但水稻亚种间杂种F1普遍存在不育现象，阻碍了杂种优势的利用。为此，水稻育种学家对亚种间杂种不育性的遗传基础进行了大量而深入的研究，在育性基因的克隆及利用“亲和基因”提高杂种育性等方面取得了突破性进展。

1水稻籼粳杂种F1不育的原因及主要遗传模式

1.1影响水稻籼粳亚种间杂种不育的主要因素

Kato较早地报道了籼粳亚种间杂种F1存在不育或半不育现象。随后，研究者发现了一系列影响籼粳杂种F1不育的因素，包括雄配子败育、雌配子败育、花药开裂障碍、雌雄配子发育进程不一致、花粉在柱头上萌发障碍、配子发育受阻和环境条件的影响等_[3]。大多数学者认为，亚种间杂种F1的不育主要由主效基因控制，也受微效基因的修饰。其中，雄配子败育（花粉败育）和雌配子败育（胚囊败育）是导致籼粳杂种F1不育的主要因素。

雄配子败育主要表现为花粉发育异常。Oka _[4]认为雄配子在小孢子“第二收缩期”以后发生败育，败育的花粉空瘪，或呈三角形，十分小，很少有淀粉的充实。王以秀等_[5]发现雄性生殖细胞早期发育没有异常，但在成熟花粉中有一定比例的外形皱缩、不含淀粉的空壳及细胞质收缩的不育花粉。朱晓红等_[6]研究表明，由于小孢子第一次有丝分裂的不同步，花粉成熟时一部分仍处于二核阶段或趋于败育。滕俊琳等_[7]认为杂种F1结实率低可能与花药“药室间组织间隙”发育不良有关。Liu等_[8]在Nanjing11/Akihikari组合中，发现花粉发育过程中可以进行正常的减数分裂形成四分体，但在四分体形成小孢子和单核小孢子发育成二核小孢子的过程中，小孢子发生了败育。Zhang等_[9]以台中65及其近等基因系为材料，对雌雄配子的发育进行细胞学观察，结果表明所有组合杂种F1的雌配子均完全可育，而雄配子则出现了不同程度的败育。其中，S-a、S-b和S-c三个杂种F1花粉不育位点的等位基因互作不影响小孢子发生，花粉败育发生在雄配子体发育过程中。可以看出，雄配子体发生败育的时期因不同组合而异，但主要发生在小孢子单核期或双核期。

雌配子败育方面，许多研究者认为籼粳杂种F1结实率低的主要原因是部分胚囊发育畸变，从而导致其丧失受精能力。朱晓红等_[6]观察表明，杂种胚囊母细胞减数分裂是正常的，大孢子形成以后发生雌配子体退化，由于其第一次有丝分裂发生异常，不能形成二核胚囊，结果产生败育。刘永胜等_[10]在观察杂种F1胚囊发育过程中，发现胚囊败育率为18.6%～34.2%，并认为大多数败育发生在胚囊分化的早期。Liu等_[8]的研究结果表明，在雌配子体的形成和发育过程中，减数分裂可以正常进行，直到功能大孢子形成，胚囊异常发生在第一次细胞分裂及其以后时期。Oka _[11]认为胚囊败育发生于单核胚囊中的第一次有丝分裂。李宝健和欧阳学智 _[12]研究籼稻和粳稻品种及杂种F1时，在杂种大孢子发生过程中观察到多种形式的细胞解体，导致无胚囊的子房形成，最后造成小穗败育。以上研究表明，对于胚囊败育发生的时期，不同的研究者存在不同的观点。另外，Li等_[13]对亚种间杂种F1的成熟胚囊进行观察，发现异常胚囊可分为胚囊分化不彻底、无胚囊分化、空胚囊等三种类型。

1.2水稻籼粳杂种F1不育性的主要遗传机理及模式

国内外关于籼粳杂种F1不育遗传机理的研究结果尚欠一致。根据报道，可分为以下三方面解释：一是籼粳杂交时，由于细胞质与细胞核的不协调，造成杂种F1败育；二是籼粳杂交时，由于两者染色体结构的差异，导致杂种F1产生败育；三是由于育性基因的控制，致使亚种间杂种F1败育。对于第一种解释，另有研究者发现大多数栽培稻杂种正反交F1育性并没有发生显著的差异，因此，可能只在某些特殊的组合存在质核不协调现象。另外，多数研究表明，籼粳杂种染色体配对是正常的，因此，染色体行为异常与杂种F1的不育性并无直接关系。目前，水稻亚种间杂种F1不育性主要由育性基因控制这一观点已为人们普遍接受。

在育性基因的作用模式上，Kitamura等_[15]和Oka等_[14]归纳了4种遗传模式，即重复隐性基因配子体致死模式、单座位孢子体-配子体互作模式、单座位孢子体不育模式和互补孢子体不育模式。其中重复隐性基因配子体致死和单座位孢子体-配子体互作是籼粳杂种不育性的主要基因遗传模式。

2水稻籼粳杂种F1育性基因的定位和克隆

2.1雌配子不育基因的定位和克隆

Ikehashi等_[16]利用6个带有标记的广亲和品种与典型的籼稻和粳稻品种配成三交组合，发现广亲和基因S-5。由于S-5座位对克服籼粳亚种F1不育性具有重要作用，迄今，研究者对S-5座位进行了大量的研究。Liu等_[17]对S-5座位进行了精细的定位，发现S-5座位与RFLP标记R2349紧密连锁，与R2349的遗传距离为1.0 cM。Ji等_[18]在S-5初定位的基础上，通过开发高密度的分子标记，将该座位定位到50 kb的物理范围内，并预测了可能的候选基因。Qiu等_[19]利用02428/Nanjing11//Ballila三交群体，将S-5定位在两个亚克隆7B1和15D2之间40 kb的DNA片段上。序列分析表明，该区段包含5个预测的ORFs。Chen等_[20]利用图位克隆法，对S-5基因进行了克隆，发现S-5基因编码天冬氨酸蛋白酶。在拟南芥中，天冬氨酸蛋白酶与抗病信号转导和再生组织细胞死亡有关，其在活体内的生物学功能尚不清楚。序列分析表明，籼型和粳型之间存在有两个核苷酸的差异，引起相应蛋白质中两个氨基酸的替换，造成杂种F1不育。广亲和基因S-5n有一个136 bp的缺失，位于S-5蛋白N末端，导致其功能丧失，无论与籼稻和粳稻杂交，都不会影响杂种F1的育性。尽管该研究不能完全阐述清楚S-5的功能机理，但可以认为S-5主要和大孢子的形成和存活有关。