三系水稻亲本异交性能及制繁方法研究进展

钟光跃 陈辉志 于小军 吕建群

（1贵州山至金生态农业有限公司，遵义563000；2四川华丰种业有限责任公司，成都610100；3四川省农业科学院作物研究所，成都610066）

种子是农业最基本、最特殊、不可替代的生产资料。水稻（Oryza sativa）是典型的自花授粉作物，而杂交水稻的育成，打破了自花授粉作物没有杂种优势的传统看法，改变了水稻授粉方式，由典型的自花授粉变为完全异花授粉[1]。杂交水稻种子的生产是一项特殊的生产，在40多年的研究和实践中，我国科学家深度了解水稻亲本的异交特性，创造和积累了极其丰富的制种理论与经验，形成了一套较为完整的三系配套制种技术体系。然而随着水稻育种资源的不断更新、农业生产技术的不断进步，一些新型的水稻三系不育系层出不穷，而对三系不育系异交性能的研究也并未止步。农业设施的完善、机械化程度的提高，不育系的繁殖和杂交稻的制种方法也在改变。本文旨在通过对不育系异交性能、繁殖研究方法及试验结果上的推陈出新，为农业技术人员研究新品种制繁技术提供科学参考。

1 三系不育系异交性能研究进展

1.1 不育系育性鉴定根据花粉败育程度和败育的时期可以将不育系分为典败（单核期败育）、圆败（二核期败育）、染败（三核期败育）3类。根据不育系恢保关系可将不育系分为野败型（WA）、红莲型（HL）、包台型（BT）、其他类型（如田野 28、D 型、冈型、矮败型、滇型等）[2]。无论什么类型的不育系，雄性不育细胞质对杂种一代单株产量和主要农艺性状多数表现负效应[3]。育性的鉴定方法以种子结实率[4]或花粉可育率为主，也有以花药颜色为主要指标的。

1.2 亲本抽穗动态及开花习性研究水稻品种间抽穗期及抽穗日数差异很大，抽穗动态均呈“S”型曲线，且抽穗动态与土壤肥力状况无关[4]。单穗花期无论大小，其逐日开花动态基本相同，均呈明显偏左的单峰曲线；其日开花动态一般呈前高后低的双峰型，少数呈前重后轻的单峰型[5]。单穴花期逐日开花动态基本为偏态分布，从零星开颖至开颖高峰颖花的开放具有“突发”的特点，单穴进入盛花期后尤为明显。水稻品种不同，其花时各不相同。籼稻比粳稻花时早且开颖历期长，恢复系花时早而集中，开颖时间短；不育系开花迟且分散，开颖时间长。水稻花时的差异中有46%~66%由相应时期内的气象因子变异引起。温度与湿度的互作对花时的影响大，温度高、湿度大有利于开花和提早花时[6]。此外，日照风速、微量元素和栽培措施对花时也有影响。三系不育系开花动态呈单峰曲线，高峰期一般出现在 10：30-11：30[7]，也有出现在 10：00-12：00[8]和11：30-12：30[9]的。恢复系开花高峰期一般在10：00-12：00[10]，也有 11：30-12：30[11]的。

1.2.1 开颖角度和开闭颖时间水稻不育系的开颖角度都大于30°，但品种间差异显著；不育系小花开闭颖时间均较长，大约在2~5h，品种间差异较大，但差异不显著[12]。

1.2.2 柱头特性研究水稻柱头是接受花粉的器官，柱头外露率、柱头长和宽等性状决定母本的授粉能力，直接影响水稻不育系繁殖及杂交稻制种产量。水稻品种柱头长度介于0.91~2.32mm之间，平均1.35mm，变异系数22.69%[13]；柱头宽度则介于0.30~0.59mm之间，平均0.47mm，变异系数15.49%[14]。不育系的柱头表面积越大越有利于接受外来花粉，但不是越大越好，柱头越大水分越容易损耗，从而影响柱头的存活时间。柱头外露率越高，异交结实率越大。不育系开花第2天外露柱头中仍有65%以上有受精能力[15]，所以依靠柱头外露颖花第2天及以后接受花粉受精结实也是异交结实的重要途径。异花授粉受雌雄花的大小、柱头外露、颖壳张开的角度影响，柱头外露率与柱头长、花药长呈显著正相关[16]。与柱头外露率最密切相关的花器是柱头长、柱头宽和颖花长宽比，颖花长和颖花宽主要通过影响颖花长宽比来对柱头外露率产生影响[17]。母本颖壳闭颖后外露柱头仍然具有活力，可以接受花粉，正常结实。柱头活力采用对柱头外露颖花逐日充足授粉的结实率来反映[18]。柱头活力的观测方法分为延迟授粉法、逐日受精率估算法、柱头颜色估算法3种，然而普遍采取的测量方法是在盛花期选取足够数量的稻穗，留下当天开花未授粉且柱头外露的颖花套袋，从当天起每天盛花时取同一父本品种的大量穗子人工充足授粉10穗，授粉后继续套袋，15d后调查结实率。不育系柱头活力以当天最强，一般可结实44.2%~72.3%，以后逐渐减弱，开花后2~4d柱头仍有相当强的活力，6~7d柱头活力完全丧失[19]。喷施赤霉素、广增素、尿素和开花前后喷施清水都能明显提高柱头的存活率，其效果为赤霉素＞广增素＞尿素＞清水，而且在开花当天喷施效果最明显[20]。

1.2.3 父本产粉量父本产粉量是决定杂交稻制种产量的重要因素。测定父本产粉量可以采用显微镜直接观察，也可以通过电脑测量。籼稻品种产粉量在907~1950粒/药[21]，花粉量与花粉长、宽间的经验公式为：y=3×105×（0.25D-0.051）2×L（r=0.999），式中 y为花粉产粉量，D为花药宽度（mm），L为花药长度（mm）。低温会使父本的花药缩小，从而降低花粉量[22]。

2 三系制种技术研究进展

2.1 季节安排与基地选择环境条件对母本的异交特性及父本的散粉特性有很大的影响，适宜的温度、湿度、光照等生态条件是保证制种产量必不可少的因素。在基地选择上应考虑是否具有良好的稻作自然条件和人文条件：自然条件方面应具备土质肥沃，耕作性能好，排灌方便，旱涝保收，光照充足，春夏季一般无极端高低温度出现，稻田较集中连片，无检疫性病害；人文条件包括耕作制度、道路交通、经济状况和群众基础等[23]。在四川建设水稻制种基地具有生产、质量、外销、出口4大优势。高产制种的理想扬花条件是：日均温度26~28℃，相对湿度85%左右，昼夜温差8~10℃，且光照充足有微风。故四川盆地只适宜进行一年一季的夏制，抽穗扬花期一般安排在7月中下旬至8月上中旬[24]。制种田东西向与南北风成一定角度，有利于传粉，比南北向的异交结实率高2.9%，制种产量高7.4%[25]。

2.2 确定播差期的方法在杂交水稻制种过程中，由于父母本生育期的差异，制种时父母本不能同时播种。确定组合播差期有4种方法，即生育期推算法、叶龄推算法、有效积温推算法和回归方程计算法[26]。生育期推算法简便易掌握，但误差甚大；叶龄推算法可以避免早期温度变化对父本造成的影响；有效积温推算法更适合新组合、新基地或者更换季节制种；回归方程计算法受栽培管理影响，有较大误差。一般在确定播差期的时候，都是2种或以上的方法同时使用。叶龄法结合生育期推算法既简捷又经济，是各制种单位普遍采用的方法，即利用生育期推算法确定大致范围，再用叶龄法具体化，使双亲播差期的确定更符合实际[27]。

2.3 花期预测与调节方法花期不遇的原因有新陈种子播始历期存在差异、育秧方式、秧苗素质、缺素僵苗、插秧深度、施肥时期、播差期计算失误等[28]。花期预测的步骤一般分为3步：一是检查父母本各自生长发育时期；二是比较两者发育时期与始穗期的时间关系；三是确定是否采取花期调节措施[29]。预测方法总的说来分成3种，幼穗剥检法、叶龄法和播始历期推算法[21]。幼穗剥检法就是田间剥查幼穗发育进程，根据幼穗发育的8个时期的外部形态来判断父母本花期是否相遇的方法，各地普遍采用，效果较好。叶龄法又分为叶龄指数法、叶龄余数法、对应叶龄法和出叶速度法，即多点观察父母本叶龄，用前几年数据作参考来确定花期是否相遇。播始历期推算法则是根据制种亲本播始期的变化规律来推算父母本的始穗期。

花期调节方法可分为农艺措施调节法、植物生长调节剂调节法、复合类植物生长调节剂调节法、拔苞拔穗法和抽穗始期调节法。花期调节的具体措施有：密度调节、秧龄调节、肥料调节、水分调节、植物生长调节剂、复合型激素调节。秧龄调节法对秧苗素质中等或较差的秧苗调节作用大，对秧苗素质好的调节作用小。水分调节法可以调节花期3~5d，促比控效果好，但无论是促还是控其副作用都很大[30]。另外一些极端调节方法也在用于调节花期：在早亲本的幼穗分化Ⅶ期和见穗期，采取拔苞拔穗的方法，促使早抽穗亲本的迟分蘖成穗，从而推迟花期5~10d[31]。在幼穗分化Ⅳ期以前，重割叶可使花期推迟5d，如果结合施用氮肥，则可以推迟花期6~7d，但在幼穗分化后期，只能轻割叶，且效果不明显。割叶法对父本作用比较明显，对母本作用不大，因为父本花粉内容充实期需要大量的碳水化合物，对割叶反应比较敏感[30]。

2.4 花时性状研究及调节方法大田群体颖花从始花到终花持续时间为75~165min，从始花至盛花为30~120min[32]。造成花时差异的遗传因素有花器特性、品种类型差异、谷粒的长宽比，谷粒越圆，开花越迟，谷粒越细长，开花越早[33]。花时差异不仅与遗传因素有关，而且还受到环境因素的影响，温度过高或过低都影响父母本花时相遇，高温促使籼稻开花提早[34]。而对湿度影响花时的研究尚未得出一致结论，可能由于湿度对花时的影响不大，或因当时其他气候因子对其也有影响[35]。

常用的花时调查方法有点花法和目测法[36]。点花法是标记单穗在一定时间间隔内的开花数，其方法是全部剪除已开颖花，以方便统计下一时段的开花数。点花法的优点是精度较高，能准确记录每个时段内稻穗的开花情况，精确记载每个稻穗的始花时、盛花时和终花时，提供精确的水稻开花动态信息，已被广泛用于科学研究[37]；点花法的缺点是费时费工，在研究大群体时不适用，而且人工剪穗对开花有影响。目测法是以小区为单位，只观察记录水稻开花的高峰期，以单株目测法调查花时性状，调查周期控制在30min内，记载开花高峰，并按盛花时分级，9：00以前为1级，9：31-10：00为第2级，依次类推，将花时分为6级[38]。目测法的优点是能保持观察群体的原貌，且能迅速发现开花高峰期的单株，较好地解决试验规模和精度的矛盾；其缺点是不能精确研究开花习性。

花时的调节方法有植物生长调节剂、微量元素和农艺措施调节。三十烷醇对水稻不育系的开花高峰有提前作用[39]。MeJA对水稻不育系的开颖具有显著的诱导效应，在杂交水稻制种中花时调节具有普遍适用性[40]。赤霉素也是广泛用于生产实践的花时调节剂，其被证明可以提早母本花时0.5~1h，使花时相对集中7.3%~20.5%，从而增加当天授粉比例[41]。另外其他植物生长调节剂如调花宝等也有提早母本花时、集中开花量、促进父母本花时相遇等作用，且效果显著[42]。植物生长调节剂与微肥配合使用效果会更好。父本开花前喷施冷水，可以降低父本温度，从而推迟开花，使花时和母本接近；母本赶露水可以提高小气候温度，从而使母本提早开花。合适的温湿配比能促进不育系开花提早，却使恢复系花时推迟，从而使父母本花时相遇[43]，所以保证适量的水分供应也是调节花时的措施。

2.5 水稻制种产量构成因素分析及高产群体的构建水稻制种产量构成因素贡献最大的是有效穗数、结实率、千粒重[44]，由此可见，有效穗数是制约制种产量的最主要因素。现行的栽培技术中，不育系密度都偏小。要确保繁殖制种稳产高产，采用适当行比，同时增加父母本基本苗数，才能达到制种高产的要求[45]。制种过程中要求父本穗层高于母本穗层，一般高出10~15cm即可。父本冠层叶片太长给花粉飘散造成障碍，但过短（小于8cm）将影响父本花粉的发育和有效供给[46]。每hm2父本有效穗数135万以上，总颖花量1.35亿以上，每天开花散粉的颖花数必须达1950万朵才能满足母本的有效需求[47]。随着机械化制种技术的发展，未来有待进一步对父本群体机械化制种予以完善[48]。制种高产群体合理配置的理想模型为：每hm2父本有效穗数不少于135万，1.35亿朵以上颖花，母本不少于300万穗，2.7亿~3亿朵颖花；成穗比为1∶2.5，颖花比为1∶2，栽植面积比为1∶3.8；父本大双行栽培厢宽2~2.2m，单行栽培厢宽1~1.2m[46]。

2.6 赤霉素喷施技术赤霉素的喷施必须掌握适时、适量、适情。对第1次喷施的时间，学者们意见不统一，有认为在抽穗5%~10%、15%[49]时喷施的，也有认为在20%和30%[50]时喷施的，这与品种有关。喷施剂量原则上用好第1次、重喷第2次、酌情使用第3次，剂量依品种而定，但一般第1次施总量的10%，第2次施总量的60%，第3次施总量的30%[51]。喷施要求顺风避雨，如喷施2h内下雨要重喷。

2.7 去杂保纯技术不育系中的杂株一般包括保持系、半不育系、青稞、常规稻和其他异品种；恢复系中一般包含分离变异株和异品种。父本在分蘖期和始穗扬花期去杂；母本则在始穗期、扬花期和成熟期去杂。在制种大田去杂中，去杂保纯措施须贯穿制种实施的全过程。去杂保纯的方法及注意事项：一要及时，避免杂株串粉；二要彻底，发现父母本有杂株即要整株拔除；三要谨慎处理，杂株要带出田外处理或倒栽头踩入泥底，防止杂株再次成活。

3 讨论

不育系代数越高，基因飘移、种性退化会越严重，亲本繁殖可采取一年繁殖，妥善保管，多年使用，以延长不育系的推广寿命。繁殖高纯度的亲本是水稻制种最省力、最经济的途径，杂交稻种子的纯度很大程度取决于亲本的纯度。

落田谷是亲本繁殖和制种的顽疾，苗期很难判断，特别是秧田中的落田谷随秧苗栽插进大田，去杂工作量将非常巨大。播种前，秧田采用提前30d持续灌深水浸泡，以消除落田谷[52]。

在国家种植结构调整下，推广优质水稻品种的比例日益增大，但随着品种米质的改良，一些不良性状也会连锁遗传下来，优质品种亲本发芽率偏低，就是其中之一。种子开颖、休眠期过长，种子断裂是影响芽率的重要原因。易开颖的品种，容易携带细菌和病毒，催芽前需使用咪鲜胺等杀菌剂消毒；对休眠期过长的品种，则可选择强氯精处理；收获时严禁在高温下暴晒种子，以防种子断裂和烫伤种胚[53]。

随着农村土地流转和劳动力的外流，传统的“公司+农户”制种模式因其零散耗时、耗工，已远远不能满足种子生产的要求。种植大户和农村合作社逐渐参与到制种行业中，选育高异交结实率的不育系，已迫在眉睫。机械插秧[54]和无人机赶粉[55]已登上历史舞台，研制一套机械化制种技术，是今后水稻制种研究的重中之重。