20世纪70年代中期, 中国的杂交籼稻研究成功为世界所瞩目。1981年, J. N. Rutger等发现一种最上节间伸长的高秆隐性种质, 他认为此种质可作为杂交稻的第四遗传因素, 用于选育高秆隐性恢复系[1]。因此, 此类种质的发现、研究和利用为水稻遗传育种者所重视。文献[2,3,4,5,6,7,8]对此先后都有过研究报道。

笔者提出用eui种质选育长穗颈不育系, 以达到遗传解除或缓解雄性不育性引起的包穗缺陷, 之后又发现了互不等位并分别命名为eui1, eui2的两个基因[9,10], 实现了对这2个基因的定位、克隆和分离[11,12];与此同时, 应用此类种质研究与发展了e-杂交稻育种技术体系, 育成的e-杂交稻 (封面图) 已开始进入生产应用[13,14,15]。

《1 水稻节间伸长高秆隐性的形态多型性与遗传多样性》

1 水稻节间伸长高秆隐性的形态多型性与遗传多样性

《1.1 水稻eui种质的形态多型性》

1.1 水稻eui种质的形态多型性

水稻高秆性状一般是显性遗传。水稻高秆隐性遗传种质在Rutger的发现之前, Okuno和Kawai有过报道[16,17];之后国内又见多次报道[2,3,4,18,18]。这些种质的形态, 虽都表现高秆, 并隐性遗传, 但各节间伸长有别, 呈现表型的多样性, 可分为如表1所示的5种形态类型。

这些种质的发现多数来自诱变, 包括化学或物理诱变;也有来自杂交, 特别是籼粳远缘杂交的分离世代;也有来自体细胞突变。

《1.2 eui1及eui2基因的遗传多样性》

1.2 eui1及eui2基因的遗传多样性

有关遗传的报道认为大多数的节间伸长高秆隐性遗传表现单基因控制, 也认为有二对基因遗传模式存在[18,18]。eui1定位在第5染色体上[12,20,21], eui2定位在第10染色体上[10,11,22]。

以协青早eB2, eB1为材料, 用借助基因组序列信息的图位克隆法, 朱宏波、马洪丽先后克隆分离出eui2, eui1突变的野生型基因eui2, Eui1[11,12]。两个候选基因在Genebank的登记号分别是AY319965和AY324654。

EUI2基因在基因组中的碱基序列为1 576bp, 包含5个外显子, 4个内含子;读码框 (ORF) 长为933 bp, 编码311个氨基酸。同源性分析初步认为与环氧化物酶有关。EUI1基因的碱基序列为9 607 bp, 由2个外显子和1个内含子组成, ORF为1 734 bp, 编码一个含有577个氨基酸的细胞色素P450。

表1 水稻节间伸长高秆隐性突变种质类型

Table 1 The mutant types of rice tall reccessive germplasm

《表1》

突变型名称野生型名称表型类型*基因型选育方法作者年份
LM-6, -8Norin8 (粳) Ⅲ化学诱变Okuno等1978

LM-1, -2, -7		Norin8 (粳) Ⅳ化学诱变Okuno等1978

LM-4, -5		Norin8 (粳) Ⅴ化学诱变Okuno等1978

76:4512		 (粳) Ⅰeui1籼粳杂交Rutger等1981

Mh-1		桂朝2号 (籼) Ⅲeui1物理诱变吴世弼等1988

Grlc		ZE178/密阳22 (F2) (籼) Ⅲeui1籼粳杂交廖昌礼等1988

02428h		02428 (粳) Ⅰeui1体细胞突变孙立华等1992

协青早eB1		协青早 (籼) Ⅰeui1物理诱变杨仁崔等1999

协青早eB2		协青早 (籼) Ⅱeui2物理诱变杨仁崔等1999

*Ⅰ—上部节间 (最上3个节间) 显著伸长型;Ⅱ—仅最上节间显著伸长型;Ⅲ—地上部各节间 (4～5) 全部显著伸长型;Ⅳ—基部节间显著伸长型;Ⅴ—节间数增加型

检测4个不同来源的eui2突变体 (协青早eB2、龙特浦eB2、D297eB2和珍汕97eB2) 和他们相应的野生型亲本, 结果发现, 4个突变型同野生型比较都在外显子区域产生碱基缺失, 其中协青早eB2在第3个外显子区缺失6个碱基, 其他3个突变型各缺失1个碱基;龙特浦eB2和D297eB2都发生在第2外显子区, 而珍汕97eB2发生在第4外显子区。

同样检测分别来自两个不同来源突变体的eui1候选基因的外显子, 发现他们虽然都在外显子Ⅱ产生碱基突变, 但突变的碱基数目不同, 其中协青早eB1缺失8个碱基, 培矮64eS1缺失2个碱基 (表2) 。

在育种诱变过程中, 已分别获得各几十个eui1和eui2的突变系。从理论上说, 在这些突变体中出现相同碱基位点突变的突变体是一小概率, 即不可能事件, 因此, eui1, eui2突变基因的这种遗传多样性为育种应用和基因功能研究提供了十分丰富的材料。

《2 eui基因突变与水稻生长》

2 eui基因突变与水稻生长

《2.1 eui基因突变与生长激素》

2.1 eui基因突变与生长激素

表2 eui1及eui2表现的碱基缺失分子水平的遗传多样性

Table 2 The molecular genetic diversity of eui1 and eui2 gene

《表2》


基因		突变体缺失部位缺失碱基*缺失碱基数

eui1		协青早eB1外显子ⅡGGGAGATCTTc8

eui1		培矮64eS1外显子ⅡgtgATatcgc2

eui2		协青早eB2外显子ⅢacATACACaga6

eui2		龙特浦eB2外显子ⅡacaAgaga1

eui2		D297eB2外显子ⅡgcCagatt1

eui2		珍汕97eB2外显子ⅣacCagat1

*大写字母为缺失的碱基

比较eui1, eui2突变型同野生型各生育期的生长素GA1含量[23], 结果发现, eui1, eui2的存在使植物体大量产生GA1。eui1突变型稻株在倒数第三节间伸长期, 即幼穗分化Ⅳ期, GA1含量开始显著增加, 至抽穗期为最高值, 可比野生型高出7倍以上; eui2突变型一直至抽穗始期, GA1含量才显著提高, 是野生型的2倍多。不育系由于雄性不育, GA1含量显著减少, 但突变型仍比野生型高出1～2倍 (表3) 。对于eui1植物体, GA1表达部位主要在幼穗, 次之是剑叶;而对于eui2主要在剑叶。这些研究结果能很好地解释以下事实:

1) 不育系因GA1含量低, 穗颈节明显缩短;

2) 突变型不育系能解除包穗得益于抽穗期间生长素含量提高;

3) eui1对节间伸长作用的时期长, 力度大, 因此最上3个节间都显著伸长, eui2仅表现最上节间伸长;

4) eui1的作用覆盖eui2的作用, 累加效应不明显。

表3 协青早6个同型系始穗期幼穗中GA1含量

Table 3 The GA1 contents in the panicle of 6 Xieqingzao lines in heading stage

《表3》


不育系GA1含量/pmol·g-1		保持系GA1含量/pmol·g-1

A		eA1eA2BeB1eB2

204		5002716095 0091 275

不育系eA、保持系eB后的数据1和2分别表示带有eui1和eui2基因;GA1含量为鲜重样品

《2.2 eui基因突变体茎秆伸长的原因》

2.2 eui基因突变体茎秆伸长的原因

测量协青早B、协青早eB1、协青早eB2最上节间中部的薄壁细胞, 细胞长度分别是56.0, 70.4和67.0 μm, 说明节间伸长的原因同细胞长度的增加有关。湖南师范大学钟卫华等就培矮64Seui1突变体的研究结果认为, 突变体节间伸长是细胞数目增多和长度增加双重作用的结果且长度的增加是主要的 (表4) 。这同促进细胞伸长的GA1含量增加的事实是相符的。

《3 eui基因的育种应用》

3 eui基因的育种应用

《3.1 长穗颈不育系的选育》

3.1 长穗颈不育系的选育

利用直接诱变杂交稻保持系 (B系) 获eui突变 (称eB系) 后, 再用突变体同相应的原保持系的不育系 (CMS-A) 杂交、回交而育成CMS-A的eui同型系, 称eA系。直接诱变光温敏核不育系 (S系) 获eui突变体, 经筛选即育成原不育系的eui同型系, 称eS系[14]。

表4 培矮64Seui1突变体和野生型最上节间的薄壁细胞数和细胞长度

Table 4 The parenchyma cell number and length of uppermost internode of Peiai 64S and its eui1 mutant

《表4》


基因型		最上节间长度/mm
细胞数		细胞长度/μm

外层细胞		内层细胞外层细胞内层细胞

eui1		369 3 816 (17.9%) 5 442 (31.75%) 96.7 (65.6%) 75.8 (39.0%)

EUI1 (野生型) 		1893 236 (0%) 3 894 (0%) 58.4 (0%) 54.5 (0%)

括号中数据为相对值

eA, eS系在雄性不育状态下较之它们的A, S同型系, 生育期、生长发育特性及主要农艺性状都无显著差异, 但株高及相应的器官长度都有明显伸长, 并由此改良了异交特性[13,15,24], 表现为:

株高增加15～20 cm, 其中最上节间增长5～15 cm;

穗颈节间露出增加3～10 cm;

对外施GA3更为敏感;

穗长度、颖花长度、颖花长宽比值也都明显增加。

eui对上述性状的影响, 特别是穗颈节间的伸长、穗伸出度取决于以下因素:

1) 雄性不育发生得愈早, 不育愈彻底, 伸长愈少;eui1的作用大于eui2;抽穗期高温, 伴随良好的肥水条件促进伸长。

2) eA、eS系用于种子生产, 赤霉素的用量只需原A、S系的10%～50%, 就能达到种子产量不低于原不育系在赤霉素常规用量条件下的产量水平[15,25]。

《3.2 e-杂交稻选育》

3.2 e-杂交稻选育

称带有eui的杂交稻为e-杂交稻。同非eui杂交稻比较, e-杂交稻有以下共性[14,26,27,28,29]:

生长繁茂, 萌发快而整齐, 分蘖、生长快, 叶面积大, 抽穗早2～3 d;

叶色较淡;

植株较高, eui1、eui2的杂交稻分别增高5～8 cm和2～3 cm, 且主要是最上节间和穗的增长所致;

穗增长, 谷粒增长, 长宽比加大;

构成产量因素, 穗数减少, 穗粒数增加, 千粒重加大, 结实率下降。

显而易见, e-杂交稻的上述诸性状表现呈高秆稻性状在半矮秆稻上的部份“恢复”。

eui基因所表现的对杂种诸性状的影响大小排列趋势是eui1+eui2≈eui1>eui2>EUI。这里eui1+eui2是杂交稻的父母本分别带有eui1和eui2基因。

绝大多数情况下这些株形的差异都达不到统计学上的显著水平。e-杂交稻和它的非eui杂交稻同型系株形十分相近, 最后的产量也在同一个水平上。统计5点共52个组合成对对比重复产量试验, 结果e-杂交稻的平均亩产量为490.96 kg, 相应的非eui杂交稻的平均亩产量为483.69 kg, e-杂交稻比非eui杂交稻增产1.50%。由于e-杂交稻生长较快, 栽培上可适当减少氮肥的用量。

《4 讨论与展望》

4 讨论与展望

《4.1 把杂交稻技术与应用推向新水平》

4.1 把杂交稻技术与应用推向新水平

e-杂交稻的育种是遗传学理论实践的典范:隐性基因纯合状态时, 性状 (节间伸长) 可发育表达, 获得高秆的父本 (保持系或恢复系) 可提高授粉潜势和育成穗颈节间伸长遗传解除包穗的不育系, 显著改善异交特性, 从而减少种子生产的赤霉素用量, 并提高种子产量和质量;同时, 在杂种中该隐性基因呈杂合状态, 其隐性性状基本不表现, 不改变原杂种半矮秆株型和产量潜力水平。

实践中可发现, eui基因呈杂合状态的e-杂交稻, 同非eui杂交稻比较仍表现若干“高秆品种性状”影响的存在。如生长较快, 叶色较淡, 繁茂, 叶面积较大, 植株增高, 对氮肥反应更敏感, 穗加长、千粒重加大等。这些差异多数情况下虽然达不到统计学上的显著水准, 但在保留半矮秆株型的前提, 对这些性状的修饰作用可让育种家视为传统高秆品种优良性状在e-杂交稻中得到一定程度的“恢复”, 成为新类型品种的特性和优良性状。

近期的e-杂交稻育种和应用有望达到的目标是:减少杂交稻种子生产赤霉素用量的50%～90%;种子增产一成;提高杂交稻产量5%;减少化肥用量一成。兼得社会效益、经济效益和生态效益, 促进杂交稻技术水平的提高和可持续发展。

要达此目标, 育种策略是进一步发掘和利用eui种质和eui基因的遗传多样性, 包括:

1) 依据杂交稻的不同遗传背景和具体组合的育种目标, 对B, S, R系选用合适的eui基因;

2) 建立分子水平的eui基因评价体系, 选用最优突变系。诱变育种、杂交育种和分子育种技术配合应用, 提高育种效率;

3) 研究、构建和发展e-杂交稻理想株型概念和指标, 指导育种实践;

4) 研究和发展e-杂交稻相应的少用赤霉素的制种技术、减少氮肥用量的杂种栽培技术。

《4.2 可降低两系杂交稻生产应用的风险》

4.2 可降低两系杂交稻生产应用的风险

带有eui基因的光温敏核不育系在雄性表现可育或部分可育的状态下, 上部节间在抽穗期强烈伸长, 使稻株长成高株, 极易在群体中辨认, 制种过程能及时准确拨除自交植株从而提高杂交种纯度, 以及杂种冬季在海南精确验杂都有了可靠的技术保证。针对两系杂交稻存在育性遗传漂变和赤霉素不得不超量使用的这二大难点, eui种质的利用不仅显著降低了生产成本, 而且有望大大降低两系杂交稻生产应用的风险。

《4.3 有助于若干基础理论的研究与发展》

4.3 有助于若干基础理论的研究与发展

eui基因业已克隆分离。由于eui的多型性, 以及分子水平多样性的诸多突变系的获得, 在研究基因功能的同时将促进植物遗传和生理方面的基础及应用基础研究, 包括:植物复等位基因的分子水平意义;植物GA代谢的有关分子机理;植物基因诱变的分子机理; 生长激素和植物杂种优势;植物节间伸长新模式植物 (eui水稻) 的确定;同eui基因相关的植物基因工程;eui水稻的理论与实践在其它禾本科作物的比较研究。