张国栋 邹丹丹单贞 邵晓宇 张梦旭郭海鹏 米铁柱,2李继明*

（1青岛海水稻研究发展中心，山东青岛266000；2中国海洋大学/海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；第一作者：zhangguodong＠searice.org；*通讯作者：lijiming＠searice.org）

水稻（Oryza sativaL.），作为全球近 50%人口的主要粮食作物，具有产量高、种植区域广泛、种质资源丰富等优点。近年来，随着杂交水稻的长期推广与大面积种植，各品种间遗传背景差异减小，增产放缓，对病虫害及不良环境的抵抗力下降，不利于粮食战略的可持续发展。早在1987年，袁隆平院士就提出水稻发展战略的三个阶段，依次是品种间、亚种间和远缘杂种优势的利用[1]。目前，我国的水稻产业主要以三系和两系为主，稻米产量一直处于稳产、高产水平，水稻品种间和亚种间杂种优势的利用为解决世界粮食危机做出了巨大的贡献[2]。“野败”（wild abortive，WA）雄性不育株的发现，使三系法杂交水稻育种取得成功，而光温敏核不育水稻的发现使两系法利用杂种优势成为可能，每一次具有重要价值的新种质材料的利用，都是水稻遗传育种取得突破性进展的重要前提。由于野生稻和其他种属的物种与栽培稻之间的巨大差异，远缘杂种优势的利用将成为解决栽培稻遗传基础狭窄、扩大遗传变异及创造新种质资源的有效途径。

虽然水稻远缘杂交具有广阔的利用前景，但由于种间遗传距离较远，种属间杂交配合力很弱，远缘杂交后代性状表现出杂交不亲和或杂交结实率很低、杂种不育或育性差、杂种后代性状分离杂乱及分离世代长等现象[3]。但物种间远缘杂交可实现种属间优良基因的重组交流，从而培育出具有新性状的优质植物新类型甚至新物种，如竹稻等，具有分蘖旺盛、茎秆粗壮、稻米品质与抗性增强等特点[4]。另外，水稻远缘杂种优势的利用主要有物种间直接的有性杂交（sexual hybridization）、体细胞杂交（somatic cell hybridization）、外源DNA 导入（exogenous DNA introduction）、基因工程等[5]，且基于胚拯救[6]、水稻不育基因[7]、InDel 分子标记[8]、染色体片段代换体系[9]等理论方法的研究，为水稻远缘杂交育种创造了条件。本文概述了远缘杂交所涉及的分子机理及水稻远缘杂交育种思路，详述了水稻种属间杂交现状、现存障碍及解决措施，为加快远缘物种基因资源在水稻育种上的应用提供参考。

1 水稻远缘杂交概述及理论假说

在水稻育种中，通过不同的水稻远缘杂种优势利用途径（有性杂交、外源DNA直接导入技术、多倍体杂交等），对水稻远缘杂交真实性进行鉴定（形态学标记、分子标记、染色体分带、流式细胞室等技术等[10]），可以提高水稻品种（组合）的抗病性、抗逆性、适应性、产量，改良品质性状，创造新种质，达到引入外源优良基因改良已有水稻品种的目的。目前，水稻远缘杂交的类型分为精卵结合型（C型）和非精卵结合型（N型）[11]。水稻有性杂交，即精卵结合型远缘杂交，一般发生在染色体组相同的种内、亚种间或染色体组一致性较高的种间，其杂种细胞中含有母本的整套染色体和父本的整套或部分染色体，杂种所表现的性状包括两亲的性状或中间类型。而N型则发生在亲缘关系较远的种间或属间，由于基因组大小、结构等差异巨大，导致DNA分子出现差异性排斥现象，使杂种在染色体数目和组型上与母本并无太大区别，杂种性状易产生明显的变异，但杂交成功率变低。尽管水稻远缘杂交具有困难和复杂性，但目前，水稻品种内杂交难以完全满足育种目标的要求，远缘杂交育种在国内外历来都倍受重视。我国育种工作者在水稻远缘杂交分子机理方面也做了大量研究工作，已形成了几种理论体系。

（1）DNA片段杂交假说。1978年，周光宇提出了DNA片段杂交假说，认为供体DNA会被受体酶解成若干片段，而少量片段可能侥幸整合进受体的基因组，从而影响子代基因表达[12]。（2）双重作用假说。1992年，万文举等认为，外源DNA的导入具有基因转移和诱变双重作用，从而提出了双重作用假说，外源DNA片段插入受体基因组，不仅会导入远缘基因，还有可能引起受体基因组的基因突变[13]。（3）外源基因渗透学说。1999年刘宝等依据水稻和菰（Zizania latifolia）的远缘杂交研究结果，提出了外源基因渗透学说，认为外源基因的进入引起受体基因组的冲击，受体基因组会趋向于通过删除一些特异性序列来维持自身基因组稳定，或通过甲基化等途径来调控基因表达。而由外源基因组的冲击导致的基因组不稳定，可能会带来部分同源区段的基因重组，同时，受体基因组结构的改变，极易引起基因突变、转座子激活等现象，以及甲基化所引起的基因沉默或激活等表达水平的变化，这些遗传与表观遗传变化在一定程度上导致远缘杂种后代疯狂分离，很难在短时间内稳定、纯合，而由于基因表达与调控紊乱所引起的花粉或胚囊发育受阻，导致雌雄配子普遍败育[14-15]。

我国水稻育种历经矮秆基因（第一次绿色革命）、不育系（核质互作不育系、光温敏核不育系）、绿色超级稻（聚合抗逆、营养高效利用和理想株型基因）3次大的变迁[16]。其中籼粳亚种间杂种优势的利用为水稻遗传育种革命变迁提供了基础[17]，未来如何将远缘物种有利基因应用于绿色超级稻是一个重要的研究方向。

2 水稻远缘资源的利用

2.1 水稻种间远缘资源的利用

学术界对稻属中种的数量及分类一直持有不同的观点。目前比较公认的稻属分类含有23个种，其中含2个栽培种和21个野生种，分别归属于AA、BB、CC、BBCC、HHJJ等10个染色体组，其中最大类群AA基因组包含亚洲栽培稻、非洲栽培稻2个栽培种和其他6个野生稻种[18]。栽培稻与野生稻的远缘杂交研究始于20世纪初，利用普通野生稻和栽培稻的天然杂交后代，丁颖先生育成了优良品种中山1号，随后衍生出中山红、包胎矮等许多品种，这些水稻品种的选育均利用了中山1号部分野生稻的优质基因性状，为栽培稻种植与改良作出了重要贡献[19]。随后，国内外学者还利用了三系法（籼/粳型细胞质雄性不育系育成的高异交率偏籼/粳型广亲和不育系与中间型恢复系配组、偏籼/粳型不育系与广亲和恢复系配组）和两系法（广亲和光温敏不育系与偏籼/粳型恢复系配组）在水稻种间抗病、改良栽培稻株型、高产等方面展开研究[20]。

在野生稻种质资源的利用过程中，通过种间杂交与长期选育，国际水稻研究所已成功将来自于尼瓦拉野生稻的抗草状矮缩病（rice dwarf virus，RDV）的基因和来自于长雄蕊野生稻的抗白叶枯病（bacterial leaf spot）显性基因Xa-21转移到栽培稻品种中[21]。除了引进抗病基因外，研究者也将目光放在改良栽培稻株型、改良稻米品质和提高水稻产量的研究方向上。通过普通野生稻与栽培稻的复合杂交，成功选育出耐肥、抗倒、高产、优质、抗病等诸多优良性状的材料—西乡糯[22]。在水稻亚种杂交生产方面，应用较广的有配组育成的春优59[23]、甬优6号[24]、广亲和性光温敏不育系培矮64S[25]及偏粳型广亲和不育系春江16A[26]等，为实现籼粳杂交水稻增产提供了材料。但籼粳杂种结实易受环境影响，结实率低、籽粒充实度偏差等制约了籼粳亚种间杂种优势的利用。

随着水稻基因组测序的完成，国内外掀起了水稻基因功能研究的热潮，一些和远缘杂交相关的功能基因，如袁隆平培育的Y两优900创造了较大面积水稻单产新记录，可能与母本培矮Y58S携带的广亲和基因有关[27]；万建民团队发现的不育“自私基因”ORF1、ORF2和ORF3，有望解决籼粳亚种间杂交稻结实率低的难题[28]。另外，通过克隆柱头外露率、早花、广亲和基因等，为基因编辑技术实现种间杂种优势的有效利用，种间杂交稻品种的培育提供了基础。

2.2 属间远缘资源的利用

水稻属间远缘资源的利用比稻属内野生资源的利用难度更大，由于遗传距离更远，植株形态、花粉结构、染色体数目和基因排列等差别更大，属间远缘杂交表现杂交不亲和，杂种不育、结实率低等现象更加严重，配合力极差。但只要找到合适的物种，依然可以利用染色体的局部同源性及有性杂交手段，引入少量远缘物种的遗传物质。而且，由于遗传距离远，属间远缘杂交有可能大幅度改变栽培稻遗传性状，甚至得到新物种。

表1 水稻属间远缘杂交研究现状

水稻属间远缘杂交中，高粱基因引入的报道较为深入。伏军利用早稻品种87-156与青壳洋高粱杂交，选育出了具有穗大粒多、结实好、光合速率高、生长量大等优良性状的超丰早1号，进一步研究显示，青壳洋高粱的基因以随体的形式拼接到了栽培稻的染色体上，形成了稳定的遗传材料[29]。吉林通化农科院于1972年开始从事水稻和菰远缘杂交的研究，获得了一批性状优良的菰稻资源，并于2011年通过了通育335的品种审定[30]。在水稻属间的远缘杂交中，经过多年研究，我国先后获得了水稻与高粱、玉米、菰、竹子、假稻、芦苇、月见草、稗草等十几个科属间远缘杂交的杂种后代（表1），一方面利用这些植物的抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫害等优质抗逆性状，另一方面可以利用如玉米、高粱、稗草等C4植物根系发达、生长繁茂、喜温耐旱、耐盐碱、光合速率高等突出特点，培育高光效栽培稻新品种[31-46]。

属间远缘有利基因在栽培稻遗传育种，特别是在抗性育种及超高产育种上，具有巨大的应用价值和潜力，但杂交不亲和、分离世代长等依然是属间远缘杂交所面临的问题。通过研究手段的不断更新换代，如利用胚拯救、细胞融合、花粉管通道、穗茎基因注射等方法，可以短期内得到更多杂交材料，尤其是为后期的筛选提供足量的F1代材料，是创新水稻种质资源、培育抗逆性强、高质、优产水稻的重要途径之一[47]。

3 水稻远缘杂交障碍及其克服途径

3.1 水稻远缘杂交障碍的遗传机制

许多育种实践表明，由于亲缘关系较远物种间存在严重的生殖障碍而导致杂交往往难以成功。依据隔离时期不同将生殖隔离分为受精前隔离（生理隔离、亲本不育及受精失败等）和受精后隔离（杂种败育、不育、失活等）。依据基因组水平不同将生殖隔离分为外在的隔离（依赖于基因型和环境互作的隔离机制，多由生态及地理隔离造成的）和内在的隔离（由遗传不协调的基因组冲突引起的，包括成种基因不同、染色体结构变异、不同位点基因互作不亲和、偏分离、核质互作等）[48]。导致水稻远缘杂交失败的关键原因是受精后/内在的障碍[49]。

杂种不育是水稻远缘杂交受精后障碍最重要的形式[50]。OKA等[51]认为，复隐性基因配子体致死模式和单位点孢子体—配子体互作模式是栽培稻杂种不育基因作用的主要模式，可见不育基因，即成种基因是阻碍物种间基因交流的基因。YANG等[52]从水稻中克隆出一个不育基因S5，S5位点通过编码3个紧密连锁基因（ORF3-ORF5）损害胚囊的可育性，造成籼粳杂种间孢子发育异常。染色体结构变异也会引起杂种不育，褚启人研究了146个不同生态型杂交组合F1及亲本减数分裂的染色体行为，结果表明，染色体行为异常在F1植株和亲本中都可能发生[53]。杂种败育及失活可能由于杂种胚和胚乳组织在发育时缺乏协调性，或者当胚乳降解不能给胚提供生长所需的营养物质时，胚由于缺乏营养而停止发育并降解。

目前，对杂种不育遗传机理的解释有细胞质效应、染色体结构差异和基因控制理论（重复隐性配子致死、单座位孢子体-配子体互作、单座位孢子体不育和互补孢子体不育）。近年来随着蛋白质组学的日益发展，越来越多的蛋白质被发现与胚胎败育有密切关系[54]。

3.2 水稻远缘杂交障碍的克服途径

水稻远缘杂交障碍的克服途径可以从生殖隔离的遗传机制中寻找。花粉不育或无法完成受精的克服途径包括选取适宜亲本、母本（选取重瓣性低、雌蕊正常、结实率高等优异性状的材料）、多次重复授粉、蒙导花粉授粉、延迟授粉、切割柱头法进行授粉、施加激素等方法处理。杂种不育、衰败等可采取胚拯救（幼胚培养、胚珠培养、子房培养等）、体外受精、体细胞融合、染色体技术（染色体组合成、多倍体技术等）及染色体片段代换系（将远缘物种中的基因向另外一个物种中渐渗的过程）等措施进行处理[55-56]。尤其是多倍体技术、染色体片段代换（CSSL）等对克服水稻远缘杂交障碍取得了一定成果。

多倍体技术在小麦、西瓜、柑橘等物种上都已得到成功的应用，如异源八倍体小黑麦的选育，而在水稻多倍体远缘杂交中，最初则是在籼粳亚种间杂种优势的利用上。研究表明，水稻多倍体化后，其遗传保守性减弱，遗传可塑性增强[57]。通过四倍体水稻转移优良基因，可更加广泛地扩大杂交范围，利用远缘杂交产生更强的杂种优势，甚至通过异源多倍体途径创造新物种。黄群策等利用多种四倍体水稻与属间植物假稻、狼尾草杂交，均获得了饱满的实粒种子，而以二倍体杂交时则很难获得实粒种子[58-59]。通过四倍体水稻的桥梁作用，转移远缘物种的优良基因，扩大栽培稻基因池。虽然高结实率同源四倍体水稻材料已经通过一些诱变技术获得，但其综合性状如产量、抗性等与常见栽培稻相比并没有表现出优势，且如何将其转化为产量优势，如何通过远缘杂交进一步聚合有利基因，并维持其高结实及多倍体所特有的大粒等优势性状，尚不明确。

染色体片段代换是通过回交和分子辅助选择构建的一套近等基因系，在QTL精细定位等具有积极意义。宋健东等[60]以粳稻日本晴为亲本，广西普通野生稻DP15为供体，在BC3F1代获得79个代换片段，基本可以相互重叠并覆盖水稻12条染色体，构建染色体片段代换体系有助于解析其遗传基础，也有利于在育种中利用这些优良性状的基因位点。

体细胞杂交技术作为一种相对成熟的技术，已经在多种植物细胞融合中得到应用，并且获得了再生植株，但在水稻与野生资源间的基因转移上，还存在植株再生率低等现象，而再生植株细胞染色体丢失也是一种普遍现象[61]。如果将水稻多倍体育种技术与细胞融合技术相结合，在远缘基因的利用上或许能开辟出一条新途径，即在水稻多倍体育种普遍作为一种目的的背景下，将多倍体途径作为一种中间育种手段，结合细胞融合技术、基因编辑技术等[62-63]。利用植株在生长发育过程中的自我筛选过程来培育新的材料，或许能为水稻育种提供一种新的思路。

4 展望

远缘杂交是克服物种间存在的生殖隔离的重要手段之一，它将2个长期进化的稳定的远缘物种中的有益基因重新组合，跨越有性杂交不亲和的障碍，有可能组合出具有品质好、抗性强、产量高的新材料或新种质。在远缘有性杂交方面存在杂种胚败育、不育、结实率低等诸多问题。研究发现，远缘杂交前用适宜的激素处理，能有效提高杂交种子获得率，同时利用胚挽救等组织培养手段扩大杂种F1代种子出苗率[64]。目前，由于基因互作和表达调控的分子机制的复杂性，人们对于远缘杂交过程中基因组变化及调控机制的认识还非常有限，通过远缘有性杂交筛选有利种质资源还是一个相对随机的过程。

另外，远缘杂交在具有应用价值的新种质资源的选育上是一种重要的技术手段，在作物新品种的培育上历来受到重视。水稻含2个栽培种和21个野生种，种质资源丰富，而禾本科属间远缘物种资源也极为丰富，具有抗病、耐盐、高光效等多种有利性状，为栽培稻遗传改良和育种提供了极为宝贵的种质资源库，但在资源利用上还亟待开发新的育种模式和策略。随着水稻功能基因和调控机理研究的深入，野生稻遗传图谱的全面构建与研究，水稻远缘杂交机理的研究解析和新的技术手段的出现，远缘基因资源在水稻遗传改良上的应用必然会更加全面深入，为水稻抗逆性增强、稻米品质提高和超高产育种展现更美好的前景。