制种安全问题已严重制约两系法杂交水稻健康持续发展。水稻两用核不育系不育起点温度偏高、两系杂交稻制种基地和时段选择不当以及不育起点温度漂变是导致两系杂交稻制种不安全的主要原因。本研究表明, 选育不育起点温度低和耐受低温时间长的水稻两用核不育系能降低制种风险; 根据历史气象资料和两系杂交稻制种“三个安全期”对气象条件的要求, 利用计算机技术, 研制了两系杂交稻制种基地和时段气象决策支持系统, 解决了以往生产上盲目选择两系杂交稻制种基地和时段的问题; 研创了株系育性鉴定方法和一季加再生冷水串灌繁种技术, 采用该方法生产原种能降低原种生产世代数, 防止水稻两用核不育系不育起点温度漂变。通过以上研究可从种性、种源和制种地三方面提高两系法杂交水稻制种安全性。
The security problem of seed production has seriously hampered the healthy and sustainable development of two-line hybrid rice. The safty issues on seed production of two-line hybrid rice and current research situation were pointed out in this paper. The three main reasons for unsafty in seed production of two-line hybrid rice were indicated to be unsuitable site selection, high critical sterility-inducing temperature and the drift of critical temperature. In this paper, strategies and measures were put forward based on many years of practice. Selecting dual-purpose genic male sterile line with lower critical sterility-inducing temperature could minimize the risk in seed pruduction of two-line hybrid rice and scientifically selecting a suitable site and safe duration could ensure the seed production safety of two-line hybrid rice. A new idea for determining appropriate regions and periods for seed production according to the climate data together with climatic demands of the “three safe-periods” in seed production was proposed. Besides, a system of single plant selection and identification and original seed propagation with cyclic cold water was established. foundation seed production of dual-purpose genic male sterile lines should be adopted to avoid the drift of critical sterility-inducing temperature.
随着人口增加、耕地减少, 依靠科技进步, 大幅度提高单位面积产量, 已成为解决我国粮食问题的唯一途径。而利用杂种优势又是提高粮食作物单产的最有效方法。水稻的杂种优势利用有三系法和两系法。两系法杂种优势利用不受恢保关系的限制, 配组自由, 因此, 选育强优势、好品质、多抗性杂交组合的机率更大, 应用前景更好。20世纪80年代我国开始两系法杂交水稻育种研究, 经过近30年的攻关, 取得了重大进展, 至2010年底, 全国已育成水稻两用核不育系114个、杂交稻组合407个。两系法杂交稻推广区域遍布全国16个省, 其中安徽、湖北、湖南等省的种植面积已超过三系杂交稻。随着研究的不断深入, 两系法种子生产技术的不断完善, 高产优质多抗两系杂交水稻组合的育成和大面积推广, 将对我国的粮食安全作出更为重要的贡献[1,2]。
尽管水稻两用核不育系选育和两系杂交水稻育种技术比较成熟[3,4,5,6,7,8,9,10], 然而在生产过程中仍存在一些影响两系杂交稻持续健康发展的问题, 其中尤为突出的是两系杂交稻制种不安全问题[11,12,13]。近年来, 大面积杂交制种失败的事件时有发生, 给农户和种子企业造成了巨大的经济损失, 更为重要的是严重影响到我国杂交稻种子市场供应和质量安全。随着两系法杂交水稻育种技术的进步, 水稻两用核不育系类型增多, 制种企业增加, 两系法杂交水稻制种面积不断扩大, 控制两系法杂交稻制种风险显得尤为重要[14]。本文对两系法杂交水稻制种存在的不安全问题进行了较为系统的研究。
水稻两用核不育系可分为光温敏、温敏、反光温敏和反温敏4种类型[13], 当前大面积生产上应用的绝大部分为温敏或弱光温敏类型, 由于不育系受温度条件影响, 制种存在一定的风险, 在制种期间遇到低于不育起点温度的天气, 不育系自交结实造成杂交制种失败[15]。因此, 降低水稻两用核不育系的不育起点温度是两系杂交水稻选育与应用的核心。由于早期人们对水稻两用核不育系育性转换机制认识不够, 认为其育性转换基因只是受光照条件影响, 因而, 只在长日高温照条件下对其选择和鉴定。我国在两系杂交稻研究初期选育的水稻两用核不育系农垦58S的不育起点温度为26℃, 1989年前选育的一些两用核不育系如安农S-1和W6154S等的不育起点温度在25℃以上。1989年长江流城盛夏出现低温, 导致当时所有的所谓籼型“光敏核不育系”育性出现波动, 大多数育种家才开始认识到温度对两用核不育系育性转换所起到的重要作用。不育起点温度高、耐受低温时间短的不育系, 在制种期间遇到低于不育起点温度的概率大, 容易导致不育系自交结实造成杂交制种失败。20世纪90年代选育的水稻两用核不育系如培矮64S、810S等的不育起点温度在23.5~24.0℃, 这些不育系的耐受低温时间一般为3 d左右。近年来, 一些不育起点温度低于23℃、耐受低温时间达5~7 d的不育系相继育成。不难看出, 两系杂交水稻制种安全性, 很大程度上是通过不断降低水稻两用核系的不育起点温度和延长耐受低温时间来开展研究的。
两系杂交稻制种因不育系不育起点温度偏高, 育性敏感期遇低温引起育性波动而导致较大面积制种失败的事例曾多次发生, 如湖南省1993、1996和1999年, 不育系育性敏感期遇到低温, 造成大面积制种失败, 损失极其惨重。目前, 尽管低不育起点温度的水稻两用核不育系选育取得了重大进展, 但生产上仍然有部分不育起点温度为23.5℃以上的不育系在大面积使用, 即便把这种不育系育性敏感期安排在一年中的7月到8月的最高温时段, 也难免不会出现低于23.5℃的天气, 杂交制种存在安全隐患。如2009年和2011年江苏盐城有近6700 hm2两系杂交制种失败, 年直接经济损失超亿元, 特别严重的是影响到来年杂交稻用种安全, 间接损失无法估计。造成这种大面积两系制种失败的主要原因是所使用的两系不育系育性转换起点温度偏高。
因此降低两系法杂交水稻制种风险的关键技术是选育不育起点温度低、耐受低温时间长的实用型水稻两用核不育系。若能将不育起点温度降至22.0℃或22.5℃, 耐受低温时间延长至6 d, 就能大大降低在长江流域盛夏季节制种的风险, 甚至做到“零风险”[16]。使用不育起点温度低、耐受低温时间长的不育系不仅制种更加安全, 而且制种基地选择的范围更广, 更容易选到安全高产制种区。近十年来, 先后育成一批不育起点温度低的两用核不育系, 如C185S、株1S、潭农S、9817S等, 这些不育系的不育起点温度都在23℃以下。本课题组采用复合杂交, 利用了培矮64S和安农S-1的不育基因; 通过人工控温冷水处理系统增压选择技术, 降低新选不育材料的不育起点温度和耐受低温时间; 选育出的两用核不育系C815S不育起点温度只有22℃, 耐受低温时间长达7 d, 较当时主推两用核不育系不育起点温度降低了1.5~2.0℃, 耐受低温历期延长了4 d, 在长沙地区的制种安全性从55.6%提高到100.0%, 从种性上解决了两系制种不安全问题, 且综合性状优良, 配合力强, 已成为当前主推的两用核不育系。自应用以来, 从未因育性敏感期遇低温而杂交制种失败或种子纯度不达标。
低不育起点温度水稻两用核不育系选育的技术关键是低温增压选择, 即选取农艺和经济性状优良的单株, 在主穗幼穗分化第VI期于22.0℃人控水温处理池处理6 d后, 移出处理池, 标记剑叶叶枕与下一叶叶枕为±1 cm的单茎, 见穗时连续进行3~4 d的花粉育性镜检, 选择育性达标的单株。实践表明, 采取该方法可以选育到不育起点温度低、耐受低温时间长的实用型安全水稻两用核不育系。
选育不育起点温度低和耐受低温时间长的水稻两用核不育系对确保两系杂交稻制种安全起到关键性的作用。但不是说使用不育起点温度低、耐受低温时间长的不育系就到处都能安全制种, 也不是说制种安全的地方, 什么时候制种都是安全的。由于母本育性受温光条件的影响, 两系杂交稻制种基地和时段的安排比三系更为严格, 要统筹考虑“三个安全期”, 即育性敏感安全期、抽穗扬花安全期和成熟收获安全期, 科学选择和安排两系法杂交稻适宜的制种基地和时段显得尤为重要。
两系杂交稻制种曾多次因基地和时段安排不当引起育性波动而较大面积制种失败[17,18]。目前, 国内一些种子生产企业凭经验将两系杂交水稻制种基地安排在长江流域, 然而即使将不育起点温度只有23℃的水稻两用核不育系育性敏感期安排在盛夏, 仍有可能因异常低温导致不育系育性恢复而制种失败。近年来, 江苏盐城出现大面积制种失败, 这不仅与不育系不育起点温度偏高有关, 同时与制种基地选择不当密切相关。我们利用48年历史气象资料分析表明, 用不育起点温度为24℃的不育系在江苏盐城地区制种, 即使将其育性敏感期安排在其风险最低的时段, 其制种成功的概率也只有91.67% (表1)。但如果把不育起点温度为24℃的不育系安排在福建建宁和广西百色等地区制种, 就完全能找到育性敏感安全保证率为100%的制种时段。因此, 必须将两系杂交稻制种基地选择与不育系不育起点温度结合起来考虑, 即使是不育系不育起点温度低至22℃, 也要选择适宜的制种地点。同样, 制种时段安排不当也会导致制种失败。如江苏盐城地区一些不育起点温度在23℃左右的水稻两用核不育系制种出现风险, 其原因之一在于制种时段安排不当。我们利用48年历史气象资料对水稻两用核不育系在江苏盐城的育性敏感期风险及最佳时段分析表明, 不育起点温度在23.5℃以下的水稻两用核不育系在江苏盐城能找到安全的制种时段, 其中不育起点温度为23.0~23.5℃的不育系育性敏感安全时段非常窄, 为7月31日至8月18日。生产实际上, 由于前作季节推迟、或栽培措施不当、或播期安排不合理, 致使一些田块的不育系育性敏感期没有处于安全期内。如2011年盐城杂交制种失败的主要原因是部分制种田的抽穗期在9月3日以后, 从而增加了制种风险, 造成制种失败。因此用23.0~23.5℃不育系在该地区制种应非常严格地把育性敏感期控制在该范围内, 否则会出现制种风险(表1)。2012年海南两系法杂交水稻的春制也出了问题, 但这并不表明海南不能或不适宜进行两系杂交制种, 以不育起点温度为23℃的水稻两用核不育系为例, 我们根据历史气象数据分析表明, 海南三亚两系法杂交稻制种育性敏感期安排在4月10日以后才是安全的, 海南陵水两系法杂交稻安排在4月23日以后才是安全的, 目前海南生产上两系杂交稻制种大多把育性敏感期安排在3月25日至4月10日, 而不育起点温度为23℃的不育系育性敏感期安排在这个时间段时海南陵水和三亚的制种成功概率分别只有69.57%和79.07%。不难看出, 导致目前生产上两系杂交稻制种失败的主要原因之一是两系杂交稻制种地点和时段的安排没有和不育系的不育起点温度联系起来考虑, 有些制种者认为只要适合某一杂交组合制种的地区, 其他杂交组合都能在该地制种, 有些只考虑了制种基地却没有选择适宜的时段。
 | 表1 水稻两用核不育系在江苏盐城制种时育性敏感期风险及最佳时段分析Table 1 Suitable probabilities and optimum period of fertility sensitive stage for dual-purpose genic male sterile lines in the hybrid seed production |
两系制种必须将“育性敏感期”安排在高温季节, 但随后的“抽穗扬花期”又容易因高温而制种减产; 此外, “成熟收获期”如果遇上阴雨天气, 也将影响种子质量。如2003年夏季长江中下游地区出现异常高温, 造成全国大部分地区的杂交水稻制种产量大幅度降低[19]。还有一些种子企业为了保证不育系育性敏感期的绝对安全, 在不适宜三系法制种的平湖区进行两系法杂交水稻制种, 通常把抽穗扬花期安排在7月下旬至8月上旬, 由于平湖区该时段的温度太高, 父本的减数分裂期受高温影响, 导致败育花粉多, 或抽穗期受异常高温影响, 导致父本散粉不畅、生活力低, 从而造成制种产量很低。此外, 生产上因收获成熟期遇低温导致穗发芽, 使种子质量达不到规定标准的事件, 也时有发生。因此, 选择最佳制种基地, 并统筹兼顾安排好 “三个安全期”, 对两系杂交稻制种至关重要。近年来, 一些科学家开展了两系杂交稻制种基地和时段选择方面的研究[20,21,22,23,24]。但有关研究大部分局限于某一地域, 这可能由于获取全国所有气象站点的历史气象数据存在难度; 且大多考虑的是两用核不育系“育性敏感期”的安全, 而忽略了与制种产量和质量密切相关的其他两个安全期, 即“抽穗扬花安全期”和“成熟收获安全期”。
两系杂交水稻制种应该针对不同不育起点温度的不育系和选择其适宜的安全制种基地和时段。笔者经过多年的研究和实践, 利用全国740个气象站点最近50年历史气象资料, 采用计算机技术, 以C#作为开发语言, 以SQL Server 2008作为后台数据库, 研制出两系杂交稻制种基地和时段气象决策支持系统(图1), 根据不同不育起点温度两用核不育系“三个安全期”适宜气象指标, 采用逐日滑动计算方法, 筛选最佳的制种基地和时段(表2)[25]。该系统首次根据两系杂交稻制种“三个安全期”的时间间隔将“三个安全期”时间匹配, 统筹考虑3个时间段的制种风险, 在确保育性敏感安全的基础上, 优选抽穗扬花期和种子成熟收获期安全系数高的制种基地和时段。以不育起点温度为23℃的不育系为例, 选择到福建省建阳和平潭等地区, 如果制种时段安排得当, 其杂交制种“三个安全期”满足概率均可达100% (表2)。采用该方法筛选出的两系杂交稻制种最佳基地, 经湖南金色农华种业科技有限公司等企业多年制种, 从未出现制种失败或种子质量问题。此外, 利用该系统对全国一些代表性的两系杂交稻制种区的安全性分析表明, 不同地点两系杂交制种的安全性差别很大, 如江苏盐城地区不育起点温度为23.5℃以下的两用核不育系制种才是安全的, 且23.0~23.5℃的不育系的育性安全时段非常窄; 广西百色地区即使不育起点温度为24℃的两用核不育系把育性敏感期安排在6月14日至8月底这一相当长的时段内制种都是安全的; 四川绵阳即便不育起点温度为22℃的两用核不育系, 其制种安全性都不是很好, 而23℃和24℃的两用核不育系在四川绵阳制种即使育性敏感期安排在7月上旬到8月初这一最高温的时段, 其制种成功的概率也分别只有95.74%和85.11%。该系统还以月为单位将所有气象站点50年日平均历史气温以折线叠加图显示, 查图能直观地判断某地、某时段、某不育起点温度不育系的制种安全性, 如江苏盐城地区7月至8月的气温变幅在19~33℃, 不育起点温度为22℃的不育系育性敏感期安排在7月11日至8月底制种是安全的, 安排在7月上旬是不安全的(图2-A), 且该地区年季间气温变幅较大, 高温和低温出现的频率较高, 不利于制种“三个安全期”的安全; 四川绵阳地区7月至8月气温变幅在19~32℃, 期间低于23℃的天气的频率较高, 不育起点温度23℃及以上的不育系在该地区制种风险大, 且该地区年季间气温较稳定, 高温出现的频率低, 适合三系法杂交水稻制种, 但由于23℃以下天气出现的频率较高, 两系法杂交水稻制种风险大(图2-B); 广西百色地区7月至8月的气温变幅在23~ 33℃, 年季间气温稳定, 即使不育起点温度为24℃的水稻两用核不育系制种安全性都很好(图2-C)。
 | 图1 系统输入界面Fig. 1 The input interface of the climate decision-making support system |
| 表2 利用计算机系统筛选的不育起点温度23℃的水稻两用核不育系最适杂交稻制种基地Table 2 The optimal site for two-line hybrid rice seed production for dual-purpose genic male sterile lines with critical temperature of 23℃ |
 | 图2 江苏盐城(A)、四川绵阳(B)、广西百色(C)历年7月1日和8月31日的日平均温度折线图Fig. 2 Daily average temperature on 1st July and 31th August at Yancheng (A), Mianyang (B), and Baise (C) |
两系杂交稻制种基地和时段的选择至关重要, 它不但能保证不育起点温度低的两用核不育系的制种安全, 一些不育起点温度较高的不育系也能在生产上安全使用。根据不同不育起点温度两用核不育系“三个安全期”适宜气象指标, 利用历史气象资料分析选择适宜的制种基地, 能较好地解决目前生产上两系杂交稻制种基地和时段的选择缺乏科学指导, 凭经验盲目选择, 导致两用核不育系制种安全性差、产量低、质量不好, 甚至造成大面积杂交制种失败的问题。
两用核不育系繁殖过程中, 高不育起点温度植株繁殖系数大, 繁殖3~4个世代, 不育系群体或部分单株的不育起点温度就会上漂, 早期把这种现象称为不育起点温度的“遗传漂移”, 后通称为育性“漂变”。微效不育基因的杂合性是引起不育系不育起点温度漂变的主要原因[6,26,27]。两用核不育系育成时, 起点温度符合审定和推广应用标准, 而在生产上应用几年后, 因育性漂变不育起点温度越来越高; 且繁种产量越低, 漂变的速度越快, 最终生产上不能应用。例如水稻两用核不育系培矮64S在1991年技术鉴定时不育起点温度为23.3℃, 未经提纯繁殖多代后, 不育起点温度达到24.2℃, 1996年制种时育性敏感期遇连续3 d日平均温度24℃左右天气, 不育系育性产生了波动, 一般植株自交结实率1%左右; 其中出现了5%左右植株自交结实率达75%以上[19]。衡农S-1在1989年技术鉴定时不育起点温度为24℃, 按常规繁育程序和方法繁殖多代, 1993年15%左右单株的不育起点温度达26℃, 制种时尽管只出现了连续3 d低于25℃的天气, 但这些单株的自交结实率达70%。生产上用不育起点温度漂变了的水稻两用核不育系制种, 导致杂交制种失败或种子纯度不达标, 造成直接经济损失达500万元以上的事例多次发生。
由于两用核不育系的育性转换起点温度属多基因控制性状, 随着繁殖世代的递增, 群体内产生不育起点温度较高的个体, 且其比例逐代扩大, 导致群体不育起点温度向上漂移。因此, 不经提纯多代繁殖的不育系种子不宜用于制种。本课题组研创了株系育性鉴定方法(图3)和一季加再生冷水串灌繁种技术以控制两用核不育系不育起点温度漂变, 即通过单株选择, 种成株系, 根据各株系中6个单株的育性鉴定结果淘汰不合格株系, 对中选株系进行冷水串灌繁殖, 混收中选株系成原种[12]。该方法经当年育性鉴定, 就可收到原种, 减少了原种生产的繁殖世代, 减少一个繁殖世代就减少一次不育系混杂的可能; 与单株育性鉴定法比较, 株系育性鉴定以6个单株作为评判标准, 且育性鉴定时, 对处于育性敏感期的单茎进行标记镜检, 选择的准确度更高; 通过头季加再生季繁殖, 一般每公顷可生产原种7500 kg以上, 原种生产效率更高。实践证明, 该方法生产的原种繁殖4~5代后, 种子质量仍然非常好, 若连续生产不育系原种4~5个世代, 不育微效基因基本纯合, 不育系的不育起点温度就不会漂变。再一次性生产原种2000 kg以上储存于冷库, 每年拿出一定数量的种子繁殖成制种用种。与以往两用核不育系原种生产技术比较, 该技术提高了育性鉴定的准确性, 较好地解决了水稻两用核不育系不育起点温度漂变的问题, 从种源上保证了两系杂交稻制种安全。
两系法杂交水稻制种的不安全性已经成为影响国家粮食安全和社会稳定的隐患, 如何有效解决两系杂交稻制种不安全问题已成为我国两系杂交稻生产中的一个重要课题。本文指出以下三点: (1) 不育起点温度低、耐受低温时间长的实用型两用核不育系的选育是解决两系法杂交稻制种不安全问题的技术核心, 用低不育起点温度的两用核不育系制种能大大降低制种风险, 同时使两系杂交稻制种基地的选择范围更广。(2) 制种基地和时段的选择是解决两系杂交稻制种不安全问题的又一关键技术。本研究研制的两系杂交稻制种基地和时段气象决策支持系统, 利用50年以上历史气象资料分析不同不育起点温度的水稻两用核不育系“三个安全期”适宜气象指标, 从而筛选出最佳的制种基地和时段, 实现两系杂交稻制种的安全高产高效。(3) 采用株系鉴定和一季加再生冷水串灌繁殖原种生产新方法能防止两用核不育系不育起点温度漂变, 有效解决生产上大面积应用的两用核不育系不育起点温度漂变导致的杂交制种不安全问题。
 | 图3 株系育性鉴定方法示意图Fig. 3 Diagram of fertility identification method |
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