CN1285257C - 同源四倍体杂交水稻制种方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多倍体杂种优势利用新技术。采用优良二倍体水稻材料通过人工加倍得到的同源四倍体材料，经多代改良，得到农艺性状符合生产需要的改良材料的基础上，选育出同源四倍体雄性不育三系材料，进一步改良后，配制、筛选、培育出超强优势的同源四倍体杂交组合及新品种；利用同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育保持系进行不育系的繁殖，用同源四倍体雄性不育系和雄性不育恢复系进行制利生产同源四倍体杂交水稻种子。本发明集成生物技术、杂种优势利用及倍性育种技术优势，培育出的同源四倍体杂交水稻具有超强杂利优势，抗性及适应力强，具有巨大增产潜力。为新世纪实现超级稻育种目标开辟了一个全新研究领域，提供了一套切实、有效的技术方案。

Description

同源四倍体杂交水稻制种方法

一、所属领域：

本发明属于多倍体杂种优势利用新技术。

二、背景技术

自然界广泛存在植物多倍体现象，禾本科植物中多倍体的比例高达3/4，多倍体具有的繁茂性，硕大性、抗性高、适应力强、高的有效物质含量等优点，一直是育种家长期追求的目标。1937年秋水仙碱加倍作用的发现，为人工诱导和利用多倍体敞开了大门。60多年来取得了较大的成就，四倍体黑麦、四倍体甜菜，四倍体橡胶草，四倍体葡萄，三倍体西瓜，六倍体和八倍体小黑麦等已经应用生产。我国学者鲍文奎早在五十年代初就开展了水稻同源四倍体的研究，并指出水稻同源四倍体杂种可能表现杂种优势。八十年代我国学者罗跃武进行过四倍体杂交高粱的初步研究。此外，在玉米、甜菜、荞麦、黄花以及多种花卉上开展了四倍体的诱导和研究，展示了同源四倍体应用的可能性。

但是随着倍性水平的提高，出现的主要障碍是结实率下降和种子不饱满等问题，因此收获种子为目标的作物如水稻等，常把多倍体育种特别是同源多倍体育种视为育种上的“禁区”，因而国内外许多学者都将目光转向了异源多倍体的研究和利用，如2001年蔡得田、袁隆平等设想远缘杂交和多倍体化结合利用基因组间和多倍体杂种优势，可能实现水稻异缘多倍体杂种优势利用，作为开创水稻育种新途径的策略(二十一世纪水稻育种新战略-II.利用远缘杂交和多倍体双重优势进行超级稻育种，蔡得田等，作物学报：Vol.27，No.1)。

当前，同源四倍体的利用主要是一方面通过染色体降倍选育二倍体新品种、新材料或直接进行四倍体杂种后代的常规选育，虽然在结实率和饱满度方面有了很大的改进，但一直未能实现重大突破。另一方面同源四倍体被用作中间体转移有用基因，总起来说多倍体育种仍然是水稻育种的“禁区”。总体研究一直未能突破“纯系育种”框架。

众所周知，杂种优势利用已成为主要的增产手段广泛应用于各种作物，特别是在杂交玉米之后，我国杂交水稻的研制成功与推广应用，为我国粮食增产做出了重大贡献，带来了巨大经济和社会效益，但近十多年，杂交水稻产量一直徘徊不前，虽然开展了两系法，广亲合基因，籼粳亚种间杂交等多方面研究，但仍无重大突破。纵观杂种优势利用，虽然在方法和技术上不断有所改进和创新，但至今仍然停留在二倍体水平上，一直未能突破倍性水平的限制。

现代生物技术的发展，为植物育种注入了新的活力，采用现代生物技术进行种质创新、种质改良在国内外已取得重大的进展和广泛应用，为解决一些育种上的难题提供了有效途径。

三、发明内容：

本发明的目的：旨在以多倍体杂种优势利用为目标，进行育种新方法、新技术、新体系的构建，是一项突破“育种禁区”的新技术。此项发明为高产、优质、抗病和超高产水稻新组合的选育，即超级稻育种开辟了一个全新研究领域，提供了一套切实、有效的技术方案。根据此项技术创制并改良的水稻多倍体新材料、水稻多倍体不育系、水稻多倍体保持系、水稻多倍体恢复系，并由此组配出一系列比常规二倍体杂交水稻品种大面积增产20％-30％左右的多倍体杂交水稻新组合、新品种，真正实现我国超级稻育种目标是可能的。

本发明是依据对倍性育种和杂种优势利用两大育种体系的剖析和现代生物技术作为强有力手段为育种注入新活力的认识。从总体剖析看，多倍体育种至今未能突破“纯系育种”的框架，杂种优势利用至今仍停留在二倍体水平，未能突破倍性水平的局限。因此，有必要将现代生物技术、倍性育种和杂种优势利用有效的融合为一体，创建倍性水平杂种优势利用新体系，它将有效克服多倍体育种和杂种优势利用两大育种体系的局限和障碍，充分发挥两大体系的优势和潜力，充分发挥现代生物技术在作物遗传改良的作用，形成一个全新的多倍体杂种优势利用新技术。同时，以收获种子为目的的粮食作物，获得杂种优势利用的载体是能否成功利用杂种优势的前提条件；丰富的种质资源是选育优良组合的基础；提高结实率和饱满度是实现杂种优势利用和充分发挥生产潜力的关键和保证。

本发明就是按照这一思路取得的。方案是采用优良二倍体水稻材料通过人工加倍得到的同源四倍体材料，经多代改良，获得农艺性状符合生产需要的改良材料，同时选育出同源四倍体雄性不育三系材料，进一步改良后，配制、筛选、培育出超强优势的同源四倍体杂交组合及新品种；利用同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育保持系进行不育系的繁殖，用同源四倍体雄性不育系和雄性不育恢复系进行制种生产同源四倍体杂交水稻种子。

本发明的具体技术方案是：

1.同源四倍体材料的创制技术

选择在农业生产上广泛应用以及各种不同生态型的优良二倍体水稻为材料，在实验室内用幼穗等作为材料诱导愈伤组织，并在细胞水平上用人工加倍试剂如秋水仙素、秋水酰胺和Nocodazole等进行人工加倍，并分化成同源四倍体植株；或者利用自然界天然的多倍体材料。

2.同源四倍体材料的改良技术

一般通过人工加倍和天然的多倍体材料其农艺性状、结实率、饱满度等方面都不同程度地存在着一定的缺陷，因此需要经过多代的严格选择，应用常规杂交、回交以及生物技术改良其农艺性状，以便多倍体材料能够满足农业生产的需要。

3.同源四倍体杂种优势载体的构建及改良技术

通过多代的常规杂交和回交改良技术并结合田间人工选择，选育同源四倍体雄性不育系、同源四倍体雄性不育保持系、同源四倍体雄性不育恢复系等同源四倍体雄性不育三系材料，完成同源四倍体杂种优势载体的构建；在此基础上再进行多代的改良，获得具有优良农艺性状、符合生产需要的同源四倍体雄性不育三系并实现三系配套。

4.同源四倍体杂交组合及新品种选育

利用创制并经改良的同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育恢复系材料进行组合的配制、筛选，培育出超强优势的同源四倍体杂交组合及新品种，即超级稻。

5.同源四倍体雄性三系的繁殖、制种技术

利用同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育保持系按一定的行比种植，进行隔离授粉，分别收获同源四倍体殖雄性不育系及同源四倍体雄性不育保持系。

同样，利用同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育恢复系可以进行超强优势的同源四倍体杂交组合及新品种种子的生产。

在繁殖、制种时采用5-20ppm的ABA、GA3或1-10g/亩的烯效唑或生育酚等在在齐穗时喷施处理亲本，能够将繁殖、制种的产量提高10％左右。

本发明的优点：

1.集成生物技术、杂种优势利用及倍性育种技术优势

本发明将现代生物技术，倍性育种和杂种优势利用有效的融合为一体，创建倍性水平杂种优势利用技术新体系，有效地克服多倍体育种和杂种优势利用两大育种体系的局限和障碍，充分发挥两大技术体系的优势和潜力，充分发挥现代生物技术在作物遗传改良的作用，形成一个全新的多倍体杂种优势利用新技术新体系。

2.超强杂种优势，增产潜力巨大

通过本发明的育种、繁殖、制种技术所培育出同源四倍体的杂交组合，因其实现了在倍性水平上的杂种优势利用，表现出超强的杂种优势。在二倍体杂交水稻的基础上，产量将有可能提高20-30％，达到单产800kg/亩以上的产量水平，真正实现我国超级稻育种目标，可能实现继矮化育种、杂交水稻之后的水稻生产的第三次革命。

3.抗性及适应力强

本技术充分利用了多倍体的优点，培育出的杂交组合其叶色浓绿、根深杆壮、株型理想，表现出适应力强、抗倒、抗虫、抗病力强。

4.重大而深远的理论和实践意义

本项技术的推广应用将产生巨大的经济和社会效益，并可广泛借鉴应用于其他植物育种改良，具有重大而深远的理论和实践意义。

四、具体实施方式：

实施例1：发明者从1996年开始以水稻为材料进行本项技术的探索工作，用明恢63、RT2248等多种优良二倍体水稻材料，经过0.1％的秋水仙碱在细胞水平上进行加倍，已成功创制同源四倍体水稻40多种和300多个选系。

1996年至2001年利用生物技术创制而来的同源四倍体水稻材料分别在海南省陵水县、中国科学院成都生物研究所双流农场进行了多代的常规杂交和回交改良选育，其结实率、饱满度及农艺性状等方面都得到了显著的改良，其中最高结实率为90％，结实率在70％以上的占三分之一，部分同源四倍体材料基本能够满足实际生产的需要。

同时，选育出同源四倍体水稻雄性不育系、同源四倍体水稻雄性不育保持系材料4套；同源四倍体雄性不育恢复系材料8份，完成多倍体杂种优势载体的构建，经过多代的改良获得具有优良农艺性状、可以满足生产所需的多倍体雄性不育三系，初步实现了同源四倍体水稻杂种优势利用雄性不育三系的配套。如同源四倍体水稻雄性不育系：D46A、D32A等；同源四倍体水稻雄性不育保持系：D32B、D23B等；同源四倍体水稻雄性不育恢复系：D237、D71、D明恢63和D6043等。

实施例2：1998年至2002年在中国科学院成都生物研究所双流农场、中国科学院成都生物研究所温江高新生物技术试验基地内，开展了同源四倍体水稻雄性不育三系的组合的组配及筛选，试制组合近200个，培育出世界上第一批D46A×D237，D46A×D71等超强优势同源四倍体杂交水稻新组合，即超级稻。其中前者小区产量折合亩产1015kg，比对照D优527亩产761kg增产33％。

发明者所进行的繁殖、制种试验，与普通二倍体水稻雄性不育三系的繁殖、制种原理相似。目前正在加紧进行田间试验，提高其繁殖、制种产量。

在繁殖、制种时采用8-10ppm的ABA、GA3或2-5克/亩的烯效唑或生育酚等在在齐穗时喷施处理亲本，能够将繁殖、制种的产量提高10％左右。

六年多来，发明者开展了大量的研究和探索工作，积累大量的实验资料和经验，取得了突破性的研究成果。此项发明为高产、优质、抗病和超高产水稻新组合的选育，即超级稻育种开辟了一条崭新的育种途径；形成了一个切实、有效的多倍体杂种优势利用育种技术新体系。

另外，发明者采用细胞工程、分子生物学和生物技术等方法，在缩短了多倍体杂种优势利用载体的构建和改良的时间，同时，也极大地提高了多倍体杂种优势利用载体的构建和改良的效率。目前，正在进一步扩大多倍体材料种质资源，以便选育出理想的多倍体超强优势组合及新品种推广应用于水稻生产。

Claims (2)

1、同源四倍体杂交水稻制种方法，其特征是：用0.1％的秋水仙碱将优良二倍体水稻材料在细胞水平上进行加倍；经过多代的常规杂交和回交选育获得农艺性状符合生产需要的同源四倍体雄性不育三系材料，配制、筛选、培育出超强优势的同源四倍体杂交组合及新品种；利用同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育保持系进行不育系的繁殖，并用同源四倍体雄性不育系和同源四倍体雄性不育恢复系进行制种生产同源四倍体杂交水稻种子。

2、如权利要求1的方法获得的同源四倍体雄性不育三系材料用于繁殖水稻同源四倍体雄性不育系、水稻同源四倍体雄性不育保持系，制种生产同源四倍体杂交水稻种子。