CN1187292A - 提高作物和植物杂种优势的方法 - Google Patents

Abstract

提高作物和植物杂种优势的方法,属于杂交育种及种子生产技术领域。其特征是为利用杂种优势,将非选择性除草剂及其抗性基因用于作物和植物的杂交种子的生产过程中。可保证杂种群体的纯度和杂种优势的增产作用,降低对母本彻底雄性不育的严格要求,能消除三系、两系和化学杀雄杂种优势的利用中不育株和其它杂株对产量的影响,使两系和化学杀雄能够应用于生产,提高杂种优势的利用水平,降低种子的生产成本。

Description

提高作物和植物杂种优势的方法

本发明是一种提高作物和植物杂种优势的方法，属于作物或植物杂交育种及种子生产的技术领域。

早在1760年，乔瑟夫.戈特列必.凯恩若特首先系统地研究杂种优势，并认为在未来两个世纪许多植物的杂种优势将得到利用。在一般的用法上，杂种优势和杂交优势基本上是同义的。杂种优势是短语“杂合促进因子和通过杂交使生长量增加或产生增产作用”的缩写。杂种F₁超亲现象的优势在异交和自交授粉作物中是一个共同的现象。这种优势可能表现为杂种表型生长量、高度、叶面积、干物质积累量的增加，花期提早，对不良环境的耐性和对病虫害的抗性增强，栽培群体的整齐一致以及农艺性状的自我调节能力增强，从而导致增产。在商业化产业化的玉米生产中利用杂种优势首先获得了成功，并带动了许多作物和园艺植物利用杂种优势的育种研究。异花授粉的植物的天然杂交有利于繁殖系统确保杂交受精，而自花授粉植物的花器形态则有利于自交繁殖。因此，异花授粉植物中利用杂种优势的难题在于为杂交育种提供稳定亲本的育种过程中，而自花授粉植物，问题则在于杂交种子的生产中。为了生产商品杂交种子，由花器形态所控制的对异花授粉的限制必须克服，特别对两性花而言，母本应避免自花或品种内的授粉，同时，父本的花粉必须有效地传播到母本的花器上，这就要求父本具有自然有效的花粉传播机制或采用人工授粉。母本的自花或品种内的授粉的限制可通过雄不育来克服。这种雄不育可以是人工去雄、化学杀雄、遗传操作和环境产生的雄不育。

在“T”型雄性不育细胞质遭到毁灭性的病害后，杂交玉米大规模的种子生产都采用对母本去雄的方式，但是，对于水稻、小麦、高粱、蕃茄等具有两性花并且花器又小的作物，通常大规模地人工去雄经济上是不可行的。通过人工或机械去雄是否容易、每朵花(授粉单位)结的种子数量、单位面积播种数量、种子生产成本和种子的最高限制价格都是杂交种子生产是否经济的影响因素。因此，母本的雄性不育成为了杂交种子生产的重要工具。

在植物育种中，现正在开发利用的雄不育主要有三种类型，即核质互作雄性不育(CMS)、光敏雄性不育(PGMS)、温敏雄不育；同时正在研究利用化学杀雄诱导雄性不育。

1.核质互作雄性不育——三系

在那些具有完全花器、每朵花结的种子少、人工去雄生产种子成本高的作物中，核质互作雄性不育特别受到重视。洋葱是第一个对它的核质雄性不育研究较清楚并开发杂交种用于栽培生产的作物，后来是玉米，目前玉米、水稻、高粱、珍珠粟、糖甜菜、苜蓿、小麦、棉花、油菜籽、洋葱、胡萝卜、大豆、大麦、燕麦、蕃茄、向日葵、矮牵牛、烟草、辣椒等都在利用这种雄不育制种和他们的杂交种子已在生产上使用。

三系包括核质互作质雄性不育系(简称为不育系)、雄性不育保持系(简称为保持系)和雄性不育恢复系(简称为恢复系)。

(1)不育系：即A系，它的雄不育要求达到99.9％以上并且雌性器官要是完全正常的。

(2)保持系：即B系，保持系能保持不育系的雄不育特性，即以A作母本，B作父本的杂交后代99.9％为雄不育性，用于繁殖不育系。

(3)恢复系：即R系，恢复系能使不育系恢复育性，即A作母本，R作父本的杂交后代的结实率要达到80％以上。

在杂交种子的生产中有两个循环：

雄性不育和可育的转化是受细胞质和细胞核的基因互作控制的。这种雄性不育性在不同的地点、时间、天气条件下是相对稳定的。同时，除了对农艺性状育种以外，交替出现在A、B、R三系中雄性育性的遗传配合是十分必要和非常严格的。即不育系必须包含细胞质和细胞核两者的完全雄性不育基因，保持系中仅在细胞质中存在雄性可育基因，雄性恢复基因必须存在恢复系的细胞核中，恢复基因能使它的杂种育性恢复正常，不育性的稳定性是这个系统稳定保持下去的主要因素。

由于生产杂交种子有两个循环系统，不仅复杂、成本高，而且容易混杂。在两个循环的任何一步，父母本都有混杂的可能，并且导致最终生产的杂交种子混杂。这里，我们以水稻为例，因为水稻是自花授粉作物中利用杂种优势最成功的作物(如表1所示)。如果在第一个循环中有一个保持系的穗子混杂在不育系中，在第二个循环中不育系群体中就混有80～100株保持系，每株长10个穗子，每穗长80～100个颖花，就可能直接产生6.4～10万粒保持系种子混入杂交种子。另外，每朵保持系的颖花在开花时将产生6个花药，每个花药要产生万个以上花粉粒，它们给周围的不育系授粉后，可能出现1千万个不育株。总计可以在杂交水稻田间产生8～10亿个不纯的植株。如果恢复系中还有一些其它类型的杂株，在杂交水稻田间杂株率将会更高。

在杂交水稻田间，杂株和杂交水稻的株高不同，开花期不同，早开花的植株在收获时将倒伏或脱落，迟抽穗的植株收获时又还没有开花或成熟，一些雄不育株不结种子。显然，这些杂株使产量大幅度降低。研究结果表明，杂交种子纯度降低1个百分点，将使每公顷产量减少80～100公斤(袁隆平、傅相全，1995年)。

中国政府制定了有关杂交水稻种子纯度的标准，规定生产用种的纯度必须达到96％以上，杂交水稻田间杂株率应低于0.2％(如表2所示)。如果种子的质量达不到这个标准，就不能作为种子使用，只能作饲料。如果种子公司提供的杂交种子农民种植后田间纯度超过了国家标准，种子公司将负法律责任。为了保证杂交种子的纯度，种子公司必须作以下工作。

①提纯A、B、R三系，隔离繁殖，并测定它们的配合力，以提供原种。

②在杂交种子的生产过程中非常严格地操作，包括：a.隔离，如距离、花期、屏障(树林、竹林、山等)；b.严格去杂，特别是在抽穗期；c.分收分打分晒分装分贮。

③纯度鉴定。当八、九月分杂交种子收获后，抽取标准样，再到海南岛(天然温室)鉴定，每个样至少种植1000株，计算杂株率。四川省常年种植3百多万公倾杂交水稻，每公倾用种量为15公斤，全省每年需要4.5～5千万公斤杂交种子，因此需要鉴定5000个样。进而，鉴定数据要第二年三月份抽穗时才能获得，此时离四川播种只有一个月了，种子公司已将种子按合同进行了销售，并分发到了农户手中。因此，在种子交易和分发时没有可靠的种子质量数据。

总之，大量的人力物力投入使杂交种子的价格昂贵，种子销售时没有纯度依据酝酿着产量不稳定和有关的法律纠纷。

另外，核质互作雄性不育在育种上难于配套，这也是七十年代美国玉米病害流行的主要原因之一。玉米的T型雄性不育细胞质(简称T型胞质)发现于金色六月系中。虽然在玉米中也发现了其它雄性不育细胞质(如C型胞质、S型胞质)，但因为T型胞质不育性十分稳定、容易找到恢复系，所以非常有利于杂交种子的生产。Rf1和Rf2是两个核显性等位基因，它们共同作用对玉米T型细胞质雄性不育产生抑制。Rf2存在于大多数广泛使用的自交系中，而R1等位基因却很少。在1969年和1970年美国南方玉米叶斑病流行前的20年中，T型雄性不育系取代了通过去雄来控制花粉的自交系亲本，1970年美国种植的杂交玉米85％带有这种细胞质。一种特殊的生理病原种群的组合、适合的气候、加之细胞质的单一，使得1970年南方玉米叶斑病成为主要的损害之一，而且是在植物病理学上分布范围广泛、损失很大的病害流行。美国玉米作物的15％以上被毁灭，这就是因为T型细胞质对Bipolaris maydis种群T特别敏感，因此大规模地使用T型细胞质立即被放弃了。

雄性不育细胞质单一现在又发生在中国的杂交水稻中。尽管已经发现了许多雄性不育细胞质，但很少能培育成合乎要求的雄性不育系用于生产。1994年，用于商业化生产的雄性不育系大约90％是来自雄性不育野生稻的野败性雄性不育系(毛昌祥，1994)，这就意味着野败性雄性不育细胞质覆盖了1700万公倾的90％的稻田(如表3所示)，尽管已有玉米胞质单一导致的惨重损失的教训。

此外，三系的复杂性和它们遗传上的相互作用限制了杂种优势的利用。例如，产量和质量在杂交水稻中很难统一。同时，细胞质雄性不育也仅仅在细胞染色体组成倍性较低，如二倍体的水稻、玉米等中获得了成功地利用，而在染色体组成比较复杂的多倍体作物如异源六倍体小麦中利用起来就比较困难。

2.环境雄性不育系——两系

夏天：长日、高温

秋天：短日、低温

环境雄性不育系包括光敏遗传型雄性不育系和温敏遗传型雄性不育系，它们两者都受核基因控制与细胞质没有关系。夏天，在长日高温条件下，它们表现出完全雄性不育；在秋天的短日和低温条件下，它们的雄性变成可育。因此，它们比三系有两个优点。首先，母本有双重用途，可在夏天生产杂交种子，又可在秋天自身繁殖。其次，他们更容易获得强优势杂种，因为，几乎所有的正常品种对它们都具恢复能力，不考虑恢复基因的问题，这就增加了根据育种目标选择父本的范围。前者降低了种子生产成本，后者提高了育种的效率。

然而，从1981年来，两系的利用一直处于试验阶段。在粳稻中，已发现了光敏、温敏和温光互作的雄性不育系，但在籼稻中只发现了温敏和温光互作的不育系，未发现纯光敏不育系。在自然界，日长的变化是有规律的，人们可以通过调节播种期来调节抽穗时间；而温度的变化却没有准确的规律性。因此，光敏不育系可以用于制种和繁殖，而温敏和温光互作型不育系难于在生产上应用。在粳稻中杂种优势并不是很显著。中国和亚洲的水稻主要是籼稻，在籼稻中还未发现纯光敏的不育系，这是两系至今未能在生产上利用的主要原因。研究数据表明，除光敏不育系以外，23℃以上是确保两系不育系表达雄性不育的严格界限(袁隆平、傅相全，1995)。例如，1996年湖南省种子公司用培矮64S(一种两系不育系)制种600～700公顷。不幸的是，在抽穗期间一场雨水使温度下降，一些雄性不育系的植株或穗子变成可育或半可育(朱学东)，使这些制种不能使用。

3.化学杀雄

化学杀雄是利用化学杀雄剂诱导母本生理上的雄不育，而母本的雌花是正常的，它可以接受父本的花粉，配制杂交种子。这种方式比两系更简单。它不需要培育母本，进一步减少了制种成本；同时对亲本的选择没有什么限制，进一步提高了育种效率。从1960年以来，研究工作一直在进行，已经研究出了化学杀雄剂1号、化学杀雄剂2号等。然而，化学杀雄在生产上应用也表现出不可靠的缺点。近几十年许多用在小麦、水稻、油菜等作物上的化学杀雄剂都是一些化合物，如链霉素硫酸盐、丝裂霉素C、3，8二胺-5-乙基-6-本基菲啶翁溴化物等。目前，化学杀雄的主要问题是难于经济有效地获得高纯度的杂交种子。化学杀雄的效果取决于：

(1)化学药品的浓度：低浓度不能保证杀雄彻底，高浓度又可能导致一些其它的生理混乱，如部分包颈、开花无规律、一些小穗不开花、花序发育不完全、甚至对雌性器官——柱头产生伤害等。结果是这些生理混乱降低了杂交种子的产量，增加了种子生产成本。

(2)穗的发育阶段：谷类作物具有无限的分蘖能力，因此，在不同的分蘖穗的发育阶段不同，对化学药剂的敏感度不同。

(3)施药的环境条件：例如，因施药的时段短，如施药期遇到下雨或温度过高过低等不良天气，影响施药的效果。

非选择性除草剂“Roundup”的抗性基因已被导入大豆栽培品种，转基因大豆已在生产上大规模地用于杂草控制。非选择性除草剂“Liberty”的抗性基因已被转移到水稻栽培品种，转基因水稻已用于水稻杂草红稻的控制。并且，“Liberty”的抗性基因转入水稻后的遗传表现为单基因和完全显性遗传(Gravois等，1997)，它表明“Liberty”的抗性不管它是两个基因(亲本自交群体防草)或单基因(当通过水稻花粉转移到杂种中)控制都是相同的。一旦抗性基因嵌入水稻的染色体中与染色体结合就不会漂移，水稻就将获得永久性的抗除草剂特性。截止今日，非选择性除草剂的抗性基因尚未用于作物或植物的杂种优势中。

本发明的目的可以避免上述现有技术的不足而提供一种用非选择性除草剂及其抗性基因提高作物或植物杂种优势的方法。能有效的改良各种作物和植物杂交种子的生产过程，确保杂交种子不因纯度问题而导致生产上的减产和种子的报废，增加三系中雄性不育胞质的遗传多样性(使很多败育不是绝对彻底的雄性不育系用于生产)，简化杂交种子的生产程序(用两系和化学杀雄取代三系)，同时经济有效地提高杂种优势。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：为利用杂种优势，将非选择性除草剂及其抗性基因用于作物或植物的杂交种子的生产过程中。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到：作物或植物包括有水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、高粱、油菜籽、大麦、燕麦、黑麦、珍珠粟、苜宿、蕃茄、糖甜菜、向日葵、洋葱、矮牵牛、胡萝卜；将非选择性除草剂的抗性基因导入雄性亲本，繁殖父本；用具有转基因的父本给雄性不育的母本授粉，从母本群体的植株上获得杂交种子；用杂交种子播种，在生长期对杂交群体喷洒与导入雄性亲本抗性基因相应的除草剂。

本发明下面将通过实施例作进一步的说明：

实施例1.父本的繁殖：非选择性除草剂喷洒在通过转移获得了抗性基因的父本繁殖田中，田间的混杂植株和杂草都将被杀灭，得到高纯度的父本。

实施例2.三系体系：导入抗性基因到用于三系的父本中，并用于制种。杂交水稻秧苗田中的一切杂株(包括来自雄性不育系母本群体中的混杂个体的自交植株、母本群体中混杂的互交杂株和母本与父本群体中混杂植株杂交形成的杂株)都可以通过喷施除草剂来杀灭，留下的植株都是来自和转基因父本杂交的真杂种。这样，耗费时间的严格的种子纯度鉴定可以省去，也可以避免因种子纯度问题引起的减产和因此导致的种子公司和农户之间的法律纠纷。一些雄性败育不是十分稳定彻底，但制种产量高产量优势强的不育系也可以投入生产使用。因此，三系杂交稻将可能进一步降低制种成本，提高产量潜力，扩大推广应用面积。

实施例3.两系体系：导入抗性基因到用于两系的父本中，并用于制种。当在杂交稻的秧母田中喷洒除草剂时，母本群体中的雄性不育个体(由于温度变化亲本育性发生变化产生的)和母本育其它父本形成的杂株都要被杀灭。留下的植株都是来自与转基因父本杂交的真杂种。这样，两系杂交水稻制种过程种温度的波动就可以容忍。因此，本发明的技术可以推动两系杂交水稻尽快地进入商业化的应用阶段。两系在杂交种子的生产中，省掉保持系环节就省掉了大约一半的资源投入，加之对父本恢复力没有限制，增大了父母本配合的选择范围，因此培育出高产优质杂交组合的概率更大，即优势更强的杂交组合将被获得。本发明的技术有助于两系杂交水稻取代三系杂交水稻，由于温度引起的纯度问题就可以克服。

实施例4.化学杀雄体系：通过喷洒除草剂，杀死由于化学杀雄不彻底剩下的母本自交植株和母与其它父本杂交形成的杂株，留下带转基因父本和母本杂交的真杂种，适用于化学杀雄配制杂交组合。这样，在化学杀雄的制种田里由于杀雄不彻底导致的少量可育株或可育穗子是可以容忍的，同时缓和了诱导雄性不育和生理紊乱之间的矛盾，可以促进化学杀雄进入商业应用阶段。在化学杀雄的体系中，只需要考虑杂种优势的各个方面，如产量、品质等，不需考恢保关系。因此，它比三系和两系更好利用，可有效的排除杂株。可以施用低剂量的化学杀雄剂，克服其它生理混乱，增加制种产量，在作物杂种优势的利用中发挥主要的作用。

本发明相比已有技术具有如下优点：

1.提高了作物和植物杂种优势的利用水平；现有技术作物和植物杂种优势的利用，仍然只在三系法杂种优势的利用方面十分成功，而三系法仅仅是利用了品种间的杂种优势，不能利用亚种间或更远源的杂种优势；即使是三系法杂种优势的利用也存在着由于能利用的不育系范围小、种子生产中混杂，导致实际优势低等，使杂种优势不能充分发挥的问题。通过该方法，能使两系和化杀技术应用与生产，同时能杀死三系、两系化学杀雄等方法配制的杂交种子中的杂株，确保生产中田间植株都是真杂种，即保证杂种优势的充分发挥，提高作物和植物杂种优势的利用水平。

2.扩大了作物和植物亲种优势的应用范围：目前三系的杂种优势，因不育系要求要败育彻底，所以不育系的利用仅仅限制在较小的范围内。采用本发明可以解放一大批不育系，使作物和植物的遗传丰富，防止遗传单一化而导致的病虫害流行；同时能使两系和化学杀雄技术成为商业化的技术得到应用。

3.简化作物和植物杂交优势育种的程序：目前利用的三系、两系育种程序复杂，采用本发明可以使化学杀雄技术成为杂交优势利用的主要方法，使杂种优势利用的育种，不再需要选育不育系、保持系、恢复系和配组合的试验，大大简化了作物和植物杂种优势利用的育种程序。

4.简化作物和植物杂交种子生产的程序：现有技术的杂交种子生产过程的各个环节，都必须严格的隔离，一步不慎，将导致种子纯度达不到标准，而使种子报废或生产受到损失；采用本发明，在杂交种子生产和亲本的繁殖过程中隔离要求不高，简化作物和植物杂交种子的程序，降低杂交种子的生产成本。

5.简化作物和植物杂交种子纯度的鉴定方法：目前作物和植物杂交种子的纯度鉴定，是采用异地鉴定或采用遗传物质分析。前者花费的时间长(需一个生长周期)，不能在种子交易时得到种子纯度的数据，常常引起法律纠纷；后者耗资太多，一个种子纯度鉴定的DNA分析法鉴定就需数千元。采用本发明，用几元钱的药品费，不到一个月的时间，就可以获得准确的杂交种子纯度的数据。

6.能有效地防止假冒伪劣种子坑农害农：真假种子从外观形态上非常难分辨，假种坑农害农的事常有发生。采用本发明，只要一个简单的发芽试验，在幼苗期喷洒锄草剂，就能有效地鉴别真假种子。表1.中国杂交水稻和常规水稻产量对比年度     杂交水稻       常规水稻    杂交水稻的增产幅度

    (公斤/公顷)    (公斤/公顷)       (％)1980     5296.5           2940.5         34.41981     5310.0           4113.0         29.31982     5865.0           4447.5         31.91983     6375.0           4774.5         33.51984     6405.0           4992.0         28.21985     6472.5           4815.0         34.41986     6600.0           4857.0         35.91987     6615.0           4779.0         38.41988     6600.0           4539.0         45.41989     6615.0           4534.5         45.91990     6675.0           4642.5         43.81991     6660.0           4537.5         46.8资料来源：中国农业科学院，1992年。表2.杂交种子和亲本质量标准

          纯度  净度  发芽率   含水量    杂草系      等级  ≥％  ≥％    ≥％    ＜％   ＜(g/kg)不育系  原种  99.9  99.0   90.0     13.0      0

   一级种 99.5  99.0   90.0     13.0      0

   二级种 99.0  97.0   85.0     13.0      5保持系  原种  99.9  99.0   96.0     13.0      0

   一级种 99.5  99.0   96.0     13.0      0

   二级种 99.0  97.0   93.0     13.0      5恢复系  原种  99.8  99.0   96.0     13.0      0

   一级种 99.5  99.0   96.0     13.0      0

   二级种 99.0  97.0   93.0     13.0      5F1     一级种 98.0  98.0   93.0     13.0      0杂种   二级种 96.0  97.0   90.0     13.0      5资料来源：中国农业科学院，1992年。表3.中国杂交水稻的年度种植面积和它占水稻总面积的百分比

  杂交水稻种植面积    占水稻总面积的百分比年度    (百万公顷)                (％)1980      4.79                    14.41981      5.11                    15.41982      5.62                    17.01983      6.75                    20.41984      8.85                    26.71985      8.61                    26.91986      9.56                    29.61987      10.97                   34.11988      13.33                   41.71989      13.33                   40.81990      16.65                   50.31991      17.64                   54.1资料来源：中国农业科学院，1992年。

Claims (5)

1、提高作物和植物杂种优势的方法，其特征在于为利用杂种优势，将非选择性除草剂及其抗性基因用于作物或植物的育种和杂交种子的生产过程中。

2、如权利要求1所述的提高作物和植物杂种优势的方法，其特征在于作物和植物包括：水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、高粱、油菜籽、大麦、燕麦、黑麦、珍珠粟、苜宿、蕃茄、糖甜菜、向日葵、洋葱、矮牵牛、胡萝卜。

3、如权利要求1或2所述的提高作物和植物杂种优势的方法，其特征在于将非选择性除草剂的抗性基因导入雄性亲本，繁殖父本。

4、如权利要求3所述的提高作物和植物杂种优势的方法，其特征在于用具有转基因的父本给雄性不育的母本授粉，从母本群体的植株上获得杂交种子。

5、如权利要求4所述的提高作物和植物杂种优势的方法，其特征在于用杂交种子播种，在生长期对杂交群体喷洒与导入雄性亲本抗性基因相应的除草剂。