全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(7): 1144−1152 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(SZ-01-02-02)和国家自然科学基金项目(30471063, 30650002, 30700041, 30971751)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 蔡得田, E-mail: caidt8866@yahoo.com.cn; Tel: 027-50865578
第一作者联系方式: E-mail: zjsong99@yahoo.com.cn; Tel: 027-50865578
Received(收稿日期): 2009-08-10; Accepted(接受日期): 2010-03-19.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.01144
栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的鉴定及比较
宋兆建 1 杜超群 1 胡亚平 1 唐志强 1 陈冬玲 1 何玉池 1 何光存 2
蔡得田 1,*
1 湖北大学生命科学学院, 湖北武汉 430062; 2 武汉大学生命科学学院, 湖北武汉 430072
摘 要: 利用基因组原位杂交(genomic in situ hybridization, GISH)技术, 对栽培稻(Oryza sativa L.)与疣粒野生稻(O.
meyeriana)远缘杂种二倍体(AG)及四倍体(AAGG)进行鉴定。通过对其主要农艺性状和减数分裂的比较和分析, 探讨
染色体加倍对杂种的影响, 明确杂种不育的原因及其利用潜力。GISH检测结果证实了杂种的真实性, 杂种细胞中来
自疣粒野生稻的染色体有红色杂交信号, 而来自栽培稻的染色体上无杂交信号。杂种四倍体的株高、剑叶长、穗颖
花数、颖壳长/宽等与二倍体相比明显增加, 显示出明显的多倍体优势。二者的减数分裂也存在很大差异, 杂种二倍
体减数分裂过程紊乱, 杂种四倍体减数分裂过程则基本正常。染色体加倍明显改善了杂种的减数分裂, 但杂种四倍体
仍不能结实, 推测杂种的不育性很可能与核质亲和性有关。但杂种在新品种(系)或育种中间材料选育上仍具有改造和
利用的潜力, 无芒特性使其在芒的遗传研究及多倍体水稻芒的改造等方面同样具有重要作用。
关键词: 疣粒野生稻; 远缘杂种; 基因组原位杂交; 农艺性状; 减数分裂
Identification and Comparison of Diploid and Tetraploid Hybrids of Oryza sa-
tiva × O. meyeriana
SONG Zhao-Jian1, DU Chao-Qun1, HU Ya-Ping1, TANG Zhi-Qiang1, CHEN Dong-Ling1, HE Yu-Chi1, HE
Guang-Cun2, and CAI De-Tian1,*
1 College of Life Sciences, Hubei University, Wuhan 430062, China; 2 College of Life Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China
Abstract: Genomic in situ hybridization (GISH) was used to identify the trueness of diploid and tetraploid hybrids of Oryza sa-
tiva and O. meyeriana in this research. To explore the effect of polyploidization on diploid hybrid, compared and analyzed the
cause of sterility and the application potency of hybrids, the agronomic traits and meiosis of diploid and tetraploid hybrids. GISH
detection proved the trueness of hybrids, since O. meyeriana chromosomes gave off red fluorescence signals, while cultivated rice
chromosomes had no signals. Many agronomic traits, such as plant height, flag leaf length, spikelets per panicle, spikelet length,
and width of tetraploid hybrid increased much more than those of diploid hybrid, showing obvious predominance of polyploid.
The meiosis behaviors of diploid and tetraploid hybrids were also different from each other. The meiosis was disorder in diploid
hybrid, but normal in tetraploid hybrid. Doubling of chromosomes improved the meiosis obviously, but tetraploid hybrid was still
acarpous which may be related to the nucleo-cytoplasmic incompatibility. The hybrids had the potential to be modified in rice
breeding. Their characteristic of non-awn will also play an important part in genetic research and awn improvement in rice.
Keywords: Oryza meyeriana; Distant hybrid; GISH; Agronomic traits; Meiosis
稻属(Oryza)中只有亚洲栽培稻(Oryza sativa L.)
和非洲栽培稻(O. glaberrima Steud.)两个栽培稻种,
而野生稻种则有 20 多个, 它们分布极为广泛, 遍布
全球热带和亚热带[1-3], 在长期适应各种恶劣环境的
进化中, 形成了极丰富的遗传多样性, 具有栽培稻
所缺少或已消失的多种优良性状, 如抗病(虫)、抗
逆、细胞质雄性不育、高生物量、高蛋白含量等, 是
进行栽培稻遗传改良的基因宝库[4-5]。其中疣粒野生
稻(O. meyeriana)是分布于我国的 3种野生稻之一,
具有对白叶枯病免疫、高抗细菌性条斑病、抗稻飞
第 7期 宋兆建等: 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的鉴定及比较 1145


虱、旱生和耐阴等重要生理生态特征, 是应用价值
极高的基因资源[6-8]。但是, 由于远缘杂交不亲和与
杂种不育的限制, 仅有极少数野生稻有利基因通过
反复回交、基因渐渗的办法转入栽培稻而得到利用。
多倍体化是植物进化的重要方式 [9-11], 最新分子生
物学研究表明, 几乎 100%的被子植物都经历过多
倍体化过程[12]。同时, 异源多倍体化也是基因组整
体转化的最好方式 , 体现在作物进化的大方向上 ,
主要粮棉油作物如小麦、棉花、油菜等都经历了此
过程, 杂合性和异源基因组间的相互作用使其产生
巨大优势[11,13]。特别是在它们由二倍体向多倍体进
化的过程中, 不仅育性问题得到解决, 产量也成倍
增长[14]。在这一启示下, 蔡得田等[14]提出了“利用远
缘杂交和多倍体双重优势选育超级稻”的育种新途
径。将不同基因组野生稻与栽培稻进行杂交, 利用
胚挽救、组织培养、秋水仙素加倍等技术相结合, 已
成功获得包括疣粒野生稻在内的多种野生稻与栽培
稻的远缘杂种及其杂种多倍体。本研究是在获得栽
培稻与疣粒野生稻杂种二倍体[15]及四倍体的基础上,
运用基因组原位杂交(genomic in situ hybridization,
GISH)技术对其进行鉴定, 首先确定杂种的真实性,
并对杂种二倍体和四倍体的主要农艺性状进行比较
分析, 然后针对杂种在经历多倍体化后仍不能结实
的现状 , 比较了杂种二倍体和四倍体的减数分裂 ,
以利于探讨杂种不育的原因及杂种的利用潜力。
1 材料与方法
1.1 试验材料
栽培稻品种 IR36 (O. sativa, AA, 2n=2x=24)、疣
粒野生稻(O. meyeriana, GG, 2n=2x=24)及其远缘杂
种二倍体 (AG, 2n=2x=24)和四倍体 (AAGG, 2n=
4x=48)。其中杂种二倍体由何光存教授实验室通过
远缘杂交及胚挽救获得, 杂种四倍体由蔡得田教授
实验室对杂种二倍体染色体加倍后获得。
1.2 根尖取材
取材前一天, 给杂种二倍体、四倍体浇水。次日
缽上午将其从稻 中挖出, 洗净泥土, 剪取生长旺盛的
根尖, 清水冲洗。然后用新鲜卡诺固定液(甲醇∶冰乙
酸＝3∶1)固定 2 h以上, 转入 95%乙醇中 4℃保存。
1.3 染色体制片
按 Yan等的方法[16]略加修改。取保存在 95%乙醇
中的根尖, 水洗 3次。28℃下在酶液(4% cellulase, 0.6%
petolyase, 3% macerozyme)中处理 3~4 h, 用蒸馏水洗
净后浸于卡诺固定液中。用吸管吸取 3~4个根尖置于
干净的载玻片中央, 加 1~2 滴卡诺固定液, 用镊子迅
速敲碎。加 2~3 滴卡诺固定液, 火焰干燥法制片。经
显微镜观察, 将效果好的制片保存于−20℃备用。
1.4 基因组 DNA提取及探针制备
采用 CTAB法[17]提取总 DNA。对疣粒野生稻总
DNA, 用 Bio-11-dUTP 以切口平移法进行标记, 对
栽培稻总 DNA, 用高温灭菌法 121℃处理 5 min, 打
断成 200~300 bp的小片段, 琼脂糖凝胶电泳检测。
1.5 原位杂交
参照 Gustafson等[18]和 Leitch等[19]的方法进行。
取出保存于–20℃的制片, 60℃烤片 1 h, 以 1 μg
mL−1 RNaseA 37℃处理 1 h, 70%去离子甲酰胺 70℃
变性 3.5 min, 再经−20℃的 70%、95%、100%乙醇
梯度脱水各 5 min, 然后置空气中干燥至表面完全
无水珠。杂交液含终浓度 50%去离子甲酰胺、10%
硫酸葡聚糖、2×SSC、0.5%SDS、0.2% ssDNA及生
物素标记探针、封阻 DNA (IR36总 DNA, 封阻比例
为 1∶8)。于沸水中变性处理上述杂交液 10 min, 迅
速转至冰上 5 min以上。然后按每张制片 40 μL的
量将杂交液加在完全晾干的制片上 , 盖上盖玻片 ,
置保湿皿中, 在 90℃烘箱中共变性 10 min, 然后于
37℃温箱中杂交过夜。
1.6 杂交后的洗脱与信号检测
杂交后的制片在 42℃下以 20%去离子甲酰胺、
2×SSC、0.1×SSC各浸洗 15 min; 室温下 0.1% Tri-
tonX-100浸洗 5 min, 1×PBS中浸洗 2×5 min, 晾干;
加 Streptavidin-Cy3 偶联物, 37℃保温 50 min, 以
1×PBS洗片, 3×5 min, 晾干; 加 Bio-anti-Streptavidin
偶联物, 37℃保温 50 min, 以 1×PBS洗片, 3×5 min,
晾干; 再加 Streptavidin-Cy3 偶联物, 37℃保温 50
min, 以 1×PBS洗片, 3×5 min, 晾干。然后每张制片
再加 40 μL DAPI复染, 盖上盖玻片, 于 OLYMPUS
BX60荧光显微镜下观察并照相。
1.7 杂种二倍体与四倍体主要农艺性状比较
测量统计杂种二倍体、四倍体的株高、剑叶长、
穗长、穗颖花数、颖壳长/宽、花药长、叶色、结实
率等农艺性状 , 参照盖钧镒等 [20]“水稻主要育种性
状的记载方法和标准”记载。并用 SPSS软件对数据
进行统计分析。
1.8 杂种二倍体与四倍体减数分裂制片和观察
取材标准及制片方法参考李懋学等[21], 略加改
动。取剑叶与下一叶的叶枕距约−2~ +2 cm的稻穗,
1146 作 物 学 报 第 36卷

用新鲜卡诺固定液 (95%乙醇∶冰乙酸=3∶1)固定
2~24 h, 转入 95%乙醇中 4℃保存。从 95%乙醇中取
出材料, 转入 1 mol L−1 HCl 于 60℃水浴中处理 5
min, 蒸馏水洗涤 20~30 min, 以卡宝品红染色和压
片, 于 OLYMPUS BX51显微镜下观察并照相。
2 结果与分析
2.1 染色体数目和来源的鉴定
栽培稻品种 IR36 与疣粒野生稻的远缘杂种及
其四倍体染色体数目分别为 2n=2x=24、2n=4x=48
条。基因组原位杂交结果显示, 在中期分裂相中有
半数染色体显示出明显的红色杂交信号, 而其余的
染色体基本没有杂交信号。具有红色杂交信号的染
色体是探针杂交后, 免疫级联显色的结果, 因此这
些染色体应来源于疣粒野生稻, 而其他没有杂交信
号的染色体则来源于栽培稻 , 二者数目各占一半 ,
证明了杂种的真实性(图 1)。
2.2 染色体上信号的分布特征及分析
每条疣粒野生稻染色体上信号所占区域只是该
染色体的一部分, 其他区域没有信号或只有较弱的
信号 , 而且各条染色体信号的多少又各不相同(图
1)。这是由于没有信号或信号较弱的区域与栽培稻
基因组有较高的同源性, 被栽培稻 DNA所封阻, 未
杂交上或只杂交上较少探针的缘故。据此可推断 ,
疣粒野生稻染色体与栽培稻染色体的 DNA 序列具
有部分同源性, 而同源序列的多少在每条染色体上
又存在差异。此外, 信号在着丝粒区域分布较为集
中 , 其他区域也有分布 , 但信号一般较弱; 而且信
号的分布并不连续, 存在间断(图 1)。这与 Snowdon
等[22]和李宗芸等[23]在芸薹属 GISH 研究中发现的现
象相类似, 即杂交信号多集中在着丝粒区域, 染色
体臂上信号很弱或很少出现。Snowdon 等[22]推测该
现象可能是由于着丝粒区域重复序列高度集中而容
易杂交。着丝点序列的中部是富含 AT的序列, 两端
是两段高度保守(种内)的序列, 在着丝点序列附近
还有高度重复的卫星 DNA, 形成异染色质区域[24]。
信号在着丝粒区域多于其他区域表明, 疣粒野生稻
与栽培稻着丝粒区域的重复序列和卫星序列有更多
的不同, 而其他区域的 DNA序列则较为保守。信号
的间断表明疣粒野生稻与栽培稻在进化过程中某些
DNA 序列发生了变异, 具有种的特异性, 但许多序
列还存在着同源性, 特异性序列和同源性序列相间
存在, 有信号的区域为特异性序列, 而间断之处则
为同源性序列。近年来, 比较基因组学研究表明, 近
缘物种间功能基因具有很高的同源性, 在 GISH 分
析中这部分序列容易被封阻, 杂交信号主要由基因
组或物种相对特异的重复序列产生[23,25], 本实验结
果也证实了这一点。


图 1 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的 GISH鉴定
Fig. 1 Identification of diploid and tetraploid hybrids of O. sativa ×O. meyeriana by GISH
A: 杂种二倍体(2n=2x=24, 其中 12条染色体具有红色杂交信号, 它们来源于疣粒野生稻); B: 杂种四倍体(2n=4x=48, 其中 24条染色
体具有红色杂交信号, 它们来源于疣粒野生稻)。
A: diploid hybrid (2n=2x=24, there were 12 chromosomes with red signals that derived from O. meyeriana); B: tetraploid hybrid (2n=4x=48,
there were 24 chromosomes with red signals that derived from O. meyeriana).

2.3 杂种二倍体与四倍体的农艺性状差异
杂种与其疣粒野生稻亲本相比, 株型紧凑, 分
蘖能力强, 茎秆明显增粗, 叶片明显增长、增厚, 叶
色加深, 很好地克服了许多野生性状, 更倾向于对
生产有利的栽培稻特征。但在落粒性方面, 二者却
倾向于野生稻亲本, 较易落粒。杂种四倍体与杂种
第 7期 宋兆建等: 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的鉴定及比较 1147


二倍体相比, 巨大性效应明显, 具有很强的多倍体
优势(表 1和图 2)。杂种四倍体与二倍体的株高、剑
叶长、穗长、穗颖花数、颖壳长/宽等差异极显著, 花
药长差异显著。另外, 杂种四倍体具二次枝梗, 而二
倍体则极少, 所以四倍体的着粒密度较二倍体有明
显增加。疣粒野生稻是无芒的野生稻种, 与栽培稻
IR36 杂交后, 杂种二倍体也无芒, 加倍后获得的杂
种四倍体颖尖稍有延伸(0.4 mm 左右), 这在栽野杂
交及水稻多倍体化过程中很少见, 对芒的遗传研究
及多倍体水稻芒的改造具有重要意义。

表 1 普通栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体与四倍体主要农艺性状比较
Table 1 Comparison of agronomic traits between diploid and tetraploid hybrids of O. sativa and O. meyeriana
杂种
Hybrid
株高
PH (cm)
剑叶长
FLL (cm)
穗长
PL (cm)
穗颖花数
SP
颖壳长
SL (mm)
颖壳宽
SW (mm)
花药长
AnL (mm)
芒长
AwL (mm)
结实率
SS (%)
二倍体 2x 28.70±4.43 A 8.78±2.02 A 11.26±1.71 A 22.2±6.2 A 5.7±0.3 A 2.2±0.2 A 2.0±0.1 a 0 A 0
四倍体 4x 39.34±5.05 B 11.47±2.84 B 13.06±1.55 B 39.4±16.9 B 6.9±0.4 B 2.7±0.3 B 2.1±0.2 b 0.4±0.1 B 0
表中数据表示均值±标准差; 同列标以不同大、小写字母的数据表示分别在 0.01和 0.05水平上差异显著。
PH: plant height; FLL: flag leaf length; PL: panicle length; SP: spikelets per panicle; SL: spikelet length; SW: spikelet width; AnL:
anther length; AwL: awn length; SS: seed set. Values represent the mean ± SD. Values within the same column followed by different upper-
case and lowercase letters are significantly different at 0.01 and 0.05 probability levels, respectively.

图 2 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的形态比较
Fig. 2 Comparison between diploid and tetraploid hybrids of O. sativa ×O. meyeriana in morphology
A: 植株(左: 四倍体; 右: 二倍体); B: 籽粒(左: 二倍体; 右: 四倍体); C: 穗部(左: 二倍体; 右: 四倍体)。
A: plants (left: tetraploid; right: diploid); B: grains (left: diploid; right: tetraploid); C: panicles (left: diploid; right: tetraploid).

2.4 杂种二倍体与四倍体减数分裂比较
通过制片观察发现, 杂种二倍体中期 I 主要有 4
种配对构型, 其中以 20I+2II为主, 占观察花粉母细胞
总数的 48.89%。其次是 18I+3II, 占 20.00%, 24I 和
22I+1II则分别占 16.67%和 14.44% (表 2), 平均配对构
型为 20.56I+1.72II (图 3-A, B)。另外某些花粉母细胞
中期 I、后期 I 还存在落后染色体(图 3-C), 后期至末
期可观察到染色体在两个子细胞中的不平衡分配(图
3-D)。四倍体减数分裂染色体配对以二价体为主, 在
所观察的花粉母细胞中, 全部以二价体形式配对的占
27.03% (表 2), 其余配对构型 22II+1IV、20II+2IV 和
18II+3IV, 分别占观察花粉母细胞总数的 25.68%、
23.42%和 23.87%, 平均配对构型 21.12II+1.44IV (图
3-E, F, G)。四价体的数目最多 3个, 与二倍体中形成
二价体的最高数目一致。但从表 2 数据可以看到, 四
倍体中正常稳定的配对构型(即全部以二价体形式配
对的细胞)、包含 1个四价体的细胞与相应二倍体中全
部是单价体形式的细胞、包含 1个二价体的细胞所占
1148 作 物 学 报 第 36卷

比例相比都明显提高; 四倍体中包含 2 个四价体的细
胞与二倍体中包含 2 个二价体的细胞所占比例相比
则明显降低; 而四倍体中包含 3 个四价体的细胞与二
倍体中包含 3 个二价体的细胞所占比例却没有降低,
而是略有提高。另外, 在四倍体减数分裂中期、后期
很少出现落后染色体等异常情况, 染色体能较均衡地
分配到两个子细胞中(图 3-H)。总体来看, 通过染色体
加倍已使杂种的减数分裂情况得到极其明显的改善,
杂种四倍体减数分裂基本正常。
无论杂种二倍体还是四倍体, 每个花粉母细胞
中染色体的长度都相差悬殊, 约有 10条较长的染色
体, 余者较短, 最长与最短之间相差约 3~4 倍(图
3-I)。而且在一些细胞中染色体的染色程度也出现一
定差异, 较长的染色体染色较深, 而较短小者的染
色较浅。推测以上情况很可能是杂种细胞中来自栽
培稻和疣粒野生稻的染色体差异造成的。熊志勇等[26]
的研究表明, 栽培稻和疣粒野生稻染色体长度确实
存在较大差异, 疣粒野生稻最长染色体(1号)是栽培
稻最短染色体(12 号)的 4.25 倍, 二者的两套(24 条)
染色体中绝对长度大于 3 μm的有 10 条, 恰与我们
的观察结果吻合。在杂种的 GISH鉴定中, 同样可看
到不同来源染色体存有差异的情况(图 1), 但在减数
分裂时染色体的差异更为明显, 这可能与减数分裂
过程中染色体联会配对过程有关。

图 3 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的减数分裂比较
Fig. 3 Comparison of meiosis between diploid and tetraploid hybrids of O. sativa × O. meyeriana
A~D: 杂种二倍体减数分裂图; E~I: 杂种四倍体减数分裂图; A: 染色体全部以单价体形式存在, 配对构型 24I; B: 二价体的出现, 配对构型
20I+2II(箭头示二价体); C: 中期 I落后染色体(箭头示); D: 后期 I染色体的不均衡分配; E: 前期 I同源染色体间的配对清晰可见; F: 染色体以
正常二价体形式存在, 配对构型 24II; G: 四价体的出现, 配对构型 22II+1IV(箭头示四价体); H: 后期 I染色体能够均衡分配; I: 不同来源染色
体大小差异显著(箭头示大小差异明显的两对染色体)。
A–D: meiosis of diploid hybrid; E–I: meiosis of tetraploid hybrid; A: chromosomes all existed as univalent, configuration: 24I; B: the existence of
bivalent (arrow), configuration: 20I+2II; C: lagging chromosomes in metaphase I (arrow); D: the disequilibrium division of chromosomes in anaphase
I; E: the pairing of homologous chromosomes in prophase I; F: chromosomes paired as normal bivalents, configuration: 24II; G: the existence of
quadrivalent (arrow), configuration: 22II+1IV; H: the equilibrium division of chromosomes in anaphase I; I: the size of chromosomes of different
origins were different obviously (arrow showed two quite different chromosomes in size).
第 7期 宋兆建等: 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的鉴定及比较 1149


表 2 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体与四倍体减数分裂观察
Table 2 Meiotic pairing in metaphase I of diploid and
tetraploid hybrids of O. sativa and O. meyeriana
杂种
Hybrid
配对构型
Configuration
观察花粉母细胞数
Number of PMCs
百分比
Percentage
(%)
24I 15 16.67
22I+1II 13 14.44
20I+2II 44 48.89
18I+3II 18 20.00
二倍体 2x
总数 Total 90 100.00

24II 60 27.03
22II+1IV 57 25.68
20II+2IV 52 23.42
18II+3IV 53 23.87
四倍体 4x
总数 Total 222 100.00

3 讨论
根据蔡得田等 [14]提出的“利用远缘杂交和多倍
体双重优势选育超级稻”的育种途径, “构建异源多
倍体水稻”是这一育种途径的重要目标, “从亚种间
到种间、再到基因组间杂种优势利用”则是这一育种
途径的具体实施步骤。在亚种间杂种优势利用方面,
选育出多倍体减数分裂稳定性 (polyploid meiosis
stability, PMeS)品系(具有减数分裂稳定、结实率高
的特性)[27], 利用该品系与其他多倍体水稻杂交已
获得多个表现出强大杂种优势的多倍体籼粳亚种间
杂种[28-30]。在构建异源多倍体水稻, 利用种间、基
因组间杂种优势方面, 已获得多个野生稻与栽培稻
种间、基因组间杂种 , 如 AAg (O. sativa × O.
barthii)、AAl (O. sativa × O. longistaminata)、AB (O.
sativa × O. punctata)、AE (O. sativa × O. australien-
sis)、ACD (O. sativa × O. alta)、AG (O. sativa × O.
meyeriana)等[31], 并获得了相应的杂种多倍体。这些
远缘杂种都具有很强的杂种优势 , 应用潜力很大 ,
关键仍是其结实问题。从理论上讲, 异源基因组多
倍体化是提高远缘杂交后代可育性的可靠方法, 异
源多倍体杂种在减数分裂同源染色体配对上不会存
在问题, 其后的同源染色体配对及染色单体间的分
离和分配组合也应是正常的, 这从本实验的染色体
观察结果可得到验证。但实际上并非所有的异源多
倍体都能够结实, 其结实性与亲本间的亲缘关系、
核质作用密切相关。我们获得的栽培稻与 A基因组
野生稻的亚基因组种间杂交后代(AAAgAg和 AAAlAl),
染色体加倍能够完全解决育性问题, 所得到的异源
多倍体具有 50%~80%的结实率; 栽培稻与 B基因组
(O. punctata)、E基因组(O. australiensis)野生稻的杂
交后代(AABB、AAEE)的育性问题也基本得到解决,
具有 50%左右的结实率[31]; 但是对 ACD、AG来说,
染色体加倍仍不能解决其结实问题 , 异源多倍体
AACCDD、AAGG 仍不能结实。可是祝剑峰等 [32]
研究表明, 杂种 ACD雌雄性都是完全不育的, 而经
染色体加倍后 AACCDD 表现为雄性不育而雌性可
育, 并能通过杂交获得 AACD 三元四倍体, 这就为
进一步利用该异源多倍体提供了条件。
本实验中栽培稻与疣粒野生稻的杂种二倍体经
染色体加倍后同样不能结实, 对杂种二倍体和四倍
体的减数分裂观察比较发现, 杂种二倍体减数分裂
单价体的形成数占绝对优势, 其变化为 18~24, 平
均值为每细胞 20.56; 二价体的形成数较少, 最多为
3, 平均值为每细胞 1.72。这表明疣粒野生稻与栽培
稻染色体间仍存在部分同源性, 但从形成二价体数
目较少可以看出它们的亲缘关系很远 , 这与
Katayama 等[33]的研究也是一致的。另外还有后期 I
落后染色体、末期 I 染色体的不均衡分配等典型的
远缘杂种减数分裂行为, 以致染色体难以均匀分配
形成正常花粉。杂种四倍体减数分裂过程染色体配
对则以二价体为主, 有少数四价体, 但极少出现多
价体、单价体及落后染色体等现象, 减数分裂过程
基本正常。这说明导致 AAGG四倍体不结实的主要
原因不是减数分裂的异常, 而是由其他因素造成的,
如核质亲和性[34]等。植物生长发育主要受核基因的
调控, 但育性与线粒体基因组及叶绿体基因组有密
切联系。在异源多倍化过程中, 两个本来相互隔离
的、具有不同程度差异的基因组被组合到同一个核
中, 并处在由单一亲本所提供的细胞质环境中, 因
此在控制性状表达的过程中, 不仅两个基因组之间
要相互调整、相互协作, 在核基因组与细胞质之间
也必须通过一定的形式相互作用 , 调整核质比例 ,
在新的基础上重建核质之间和谐、平衡的相互关系,
提高相容性水平, 这是多倍体稳定和进化的一个重
要基础[35-37]。所以, 由于物种间亲缘关系的差异, 不
同基因组间物种杂交获得的远缘杂种, 通过染色体
加倍并不一定能完全解决育性问题, 而是存在各种
差异。如前所述, AAAgAg、AAAlAl、AABB和 AAEE
能结实, 但 AACCDD 和 AAGG 却不能结实。但在
远缘杂种中还存在一个常见现象, 即最易表现出不
育性的往往是雄性 , 而雌性却能表现出正常的育
性 [32], AACCDD 即是如此 , 祝剑峰等 [32]已通过含
1150 作 物 学 报 第 36卷

PMeS 基因的二倍体水稻品系 HN2026(ApAp)为父本
与 AACCDD 杂交获得 AApCD。何光存等[38-39]通过
用栽培稻与栽培稻 /药用野生稻 (O. officinalis)的杂
种回交而首先获得AAC三倍体, 再连续回交直至获
得抗稻飞虱的优良品系——B5, 此实例也间接说明
栽药杂种确实存在雌性可育性。栽疣杂种四倍体
(AAGG)可能存在类似问题, 在这种情况下, 同样可
以试探通过杂种四倍体与具有 PMeS 基因的
HN2026-2X(ApAp)进行杂交 , 获得异源三倍体杂种
(AApG), 然后将异源三倍体再进行染色体加倍获得
同源异源六倍体(AAApApGG)。即通过增加 A 基因
组的比例以改善核质亲和关系, 同时引入对多倍体
水稻减数分裂具有特殊意义的 PMeS 基因的途径来
获得可在生产上利用的新品系或育种中间材料(试
验正在进行中)。
芒的问题在栽野杂交及水稻多倍体化过程中普
遍存在。芒是野生稻的典型特征[40], 与栽培稻杂交
获得的远缘杂种也保留了此遗传特征; 水稻多倍体
化后芒的问题更加突出, 无芒水稻加倍后变为有芒,
有芒水稻加倍后芒会变得更长[41]。而栽培稻与疣粒
野生稻杂交获得的杂种无芒, 杂种多倍体化后也只
具有极短的芒, 这对芒的遗传研究及多倍体水稻芒
的改造具有重要意义。另外, 此远缘杂种及杂种多
倍体在稻属物种进化关系的研究上同样具有不可忽
视的作用。
4 结论
利用基因组原位杂交(GISH)技术证实了栽培稻
与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的真实性, 并清
晰地显示出杂种染色体的来源, 说明 GISH 技术是
鉴定远缘杂种直观而有效的好方法。杂种四倍体在
株高、剑叶长、穗颖花数、颖壳长/宽等方面比杂种
二倍体有明显优势, 农艺性状更佳。二者在减数分
裂方面也存在很大差异, 染色体加倍明显改善了杂
种的减数分裂, 杂种二倍体减数分裂过程紊乱, 而
杂种四倍体减数分裂基本正常, 推测杂种四倍体仍
不能结实的原因很可能与核质亲和性有关。后续研
究可考虑通过增加 A基因组比例以改善核质亲和关
系, 同时引入对多倍体水稻减数分裂具有特殊意义
的多倍体减数分裂稳定性(PMeS)基因来进一步改造
杂种四倍体, 以获得可利用于生产的新品系或育种
中间材料, 充分利用疣粒野生稻的多种有利基因。
另外, 栽培稻与疣粒野生稻杂种及杂种多倍体在芒
的遗传研究及多倍体水稻芒的改造、稻属物种进化
关系研究上也具有不可忽视的作用。

致谢: 本实验基因组原位杂交部分的完成, 得到武
汉大学植物发育生物学教育部重点实验室宋运淳教
授、李立家教授及赵丽娟、熊志勇、王曼玲、彭莉
莉等的大力支持和帮助, 减数分裂比较部分得到华
中农业大学作物遗传改良国家重点实验室李再云教
授的悉心指导, 在此一并表示衷心的感谢。
References
[1] Khush G S. Origin, dispersal, cultivation and variation of rice.
Plant Mol Biol, 1997, 35: 25−34
[2] Lu B-R(卢宝荣), Ge S(葛颂), Sang T(桑涛), Chen J-K(陈家宽),
Hong D-Y(洪德元). The current taxonomy and perplexity of the
genus Oryza (Poaceae). Acta Phytotaxonom Sin (植物分类学报),
2001, 39(4): 373−388 (in Chinese with English abstract)
[3] Bao Y(包颖), Ge S(葛颂). Historical retrospect and the perple-
xity on the studies of the Oryza polyploids. J Syst Evol (植物分
类学报), 2008, 46 (1): 3−12 (in Chinese with English abstract)
[4] He G-C(何光存). Cellular and molecular approaches in exploita-
tion of useful genes in wild rice. Prog Biotechnol (生物工程进
展), 1998, 18(2): 41–45 (in Chinese with English abstract)
[5] Deng H-B(邓化冰), Deng Q-Y(邓启云), Chen L-Y(陈立云).
Researches and utilization on wild rice resources. Chin Agric Sci
Bull (中国农学通报), 2006, 22(1): 295–299 (in Chinese with
English abstract)
[6] He G C, Shu L H, Liao L J, Yin X H, Sheng L H, Wang X L.
Somatic cell cryopreservation and protoplast regeneration of im-
portant disease-resistant wild rice Oryza meyeriana Baill. Sci
China (Ser C), 1998, 41(4): 393−398
[7] Qian W(钱韦), Xie Z-W(谢中稳), Ge S(葛颂), Hong D-Y(洪德
元). Distribution and conservation of an endangered wild rice
Oryza granulate in China. Acta Bot Sin (植物学报), 2001, 43(12):
1279−1287 (in Chinese with English abstract)
[8] Peng S-Q(彭绍裘), Wei Z-S(魏子生), Mao C-X(毛昌祥), Luo
K(罗宽), Huang H-Q(黄河清), Xiao F-H(肖放华). The identifi-
cation of multi resistance to disease in wild rice—Oryza meyeri-
ana which is highly resistant to Xanthomonas oryzae. Hunan
Agric Sci (湖南农业科学), 1981, (5): 47−48 (in Chinese with
English abstract)
[9] Stebbins G L. Chromosomal Evolution in Higher Plants. London:
Edward Aronid, 1971
[10] Masterson J. Stomatal size in fossil plants: evidence for poly-
ploidy in majority of angiosperms. Science, 1994, 264: 421−424
[11] Ni Z F, Kim E D, Ha M, Lackey E, Liu J X, Zhang Y R, Sun Q X,
Chen Z J. Altered circadian rhythms regulate growth vigour in
第 7期 宋兆建等: 栽培稻与疣粒野生稻杂种二倍体和四倍体的鉴定及比较 1151


hybrids and allopolyploids. Nature, 2009, 457: 327−331
[12] Soltis P S. Ancient and recent polyploid in angiosperms. New
Phytologist, 2005, 166: 1−5
[13] Misook H, Kim E D, Chen Z J. Duplicate genes increase expres-
sion diversity in closely related species and allopolyploids. Proc
Natl Acad Sci USA, 2009, 106: 2295−2300
[14] Cai D-T(蔡得田), Yuan L-P(袁隆平), Lu X-G(卢兴桂). A new
strategy of rice breeding in the 21st century: II. Searching a new
pathway of rice breeding by utilization of double heterosis of
wide cross and polyploidization. Acta Agron Sin (作物学报),
2001, 27(1): 110−116 (in Chinese with English abstract)
[15] Huang Y-L(黄艳兰), Shu L-H(舒理慧), Zhu L-L(祝莉莉), Liao
L-J(廖兰杰), He G-C(何光存). Characterization of the intersec-
tional hybrid between Oryza sativa and O. meyeriana indigenous
to China. J Wuhan Univ (Nat Sci Edn) (武汉大学学报⋅自然科学
版), 2000, 46(6): 739−744 (in Chinese with English abstract)
[16] Yan H M, Song Y C, Li L J, Bi X Z, Fu B Y. Physical location of
rice Pi-5(t), Glh and RTSV genes by ISH of BAC clones. Wuhan
Univ J Nat Sci, 1998, 3: 226−230
[17] Murray M G, Thompson W F. Rapid isolation of high weight
plant DNA. Nucl Acids Res, 1980, 8: 4321−4326
[18] Gustafson J P, Butler E, McIntyre C L. Physical mapping of a
low-copy DNA sequence in rye (Secale cereale L.). Theor Appl
Genet, 1990, 87: 1899−1902
[19] Leitch A R, Mosgoller W, Schwarzacher T, Bennett M D,
Heslop-Harrison J S. Genomic in situ hybridization to sectioned
nuclei shows chromosome domains in grass hybrids. J Cell Sci,
1990, 95: 335−341
[20] Gai J-Y(盖钧镒). Crop Breeding (special) (作物育种学各论).
Beijing: China Agriculture Press, 1996. pp 43−45 (in Chinese)
[21] Li M-X(李懋学), Zhang Z-P(张赞平). Crop Chromosomes and
the Research Technology (作物染色体及其研究技术). Beijing:
China Agriculture Press, 1996. pp 95−97 (in Chinese)
[22] Snowdon R J, Kohler W, Friedt W, Kohler A. Genomic in situ
hybridization Brassica amphidiploids and interspecific hybrids.
Theor Appl Genet, 1997, 95: 1320−1324
[23] Li Z-Y(李宗芸), Li M-T(栗茂腾), Huang R-G(黄荣桂), Wu
X-M(伍晓明), Song Y-C(宋运淳). Genomic in situ hybridization
(GISH) discriminates the A, B and C genomes in Brassica al-
lotetraploid specie. Chin J Oil Crop Sci (中国油料作物学报),
2002, 24(1): 10−14 (in Chinese with English abstract)
[24] Sun N-E(孙乃恩), Sun D-X(孙东旭), Zhu D-X(朱德煦). Mo-
lecular Genetics (分子遗传学). Nanjing: Nanjing University
Press, 1990. pp 54−55 (in Chinese)
[25] Li D-Y(李大勇), Zhang X-Y(张学勇), Yang J(杨继), Rao
G-Y(饶广远). Genetic relationship and genomic in situ hybridi-
zation analysis of the three genomes in Triticum aestivum. Acta
Bot Sin (植物学报), 2000, 42 (9): 957−964 (in Chinese with
English abstract)
[26] Xiong Z Y, Tan G X, He G Y, He G C, Song Y C. Cytogenetic
comparisons between A and G genomes in Oryza using genomic
in situ hybridization. Cell Res, 2006, 16: 260−266
[27] Cai D T, Chen J G, Chen D L, Dai B C, Zhang W, Song Z J, Yang
Z F, Du C Q, Tang Z Q, He Y C, Zhang D S, He G C, Zhu Y G.
The breeding of two polyploid rice lines with the characteristic of
polyploid meiosis stability. Sci China (Ser C), 2007, 50(3):
356−366
[28] Song Z-J(宋兆建), Du C-Q(杜超群), Dai B-C(戴兵成), Chen
D-L(陈冬玲), Chen J-G(陈建国), Cai D-T(蔡得田). Studies on the
growth habits and characteristics of two polyploidy indica-japonica
hybrids with powerful heterosis. Sci Agric Sin (中国农业科学),
2006, 39(1): 1−9 (in Chinese with English abstract)
[29] Liu J-X(刘建新), Chen J-G(陈建国), Chen D-L(陈冬玲), Song
Z-J(宋兆建), Dai B-C(戴兵成), Cai D-T(蔡得田). Studies on
floral and pollen characters of tetraploid rice. Sci Agric Sin (中国
农业科学), 2008, 41(12): 3941−3951 (in Chinese with English
abstract)
[30] Liu J-X(刘建新), Chen J-G(陈建国), Chen D-L(陈冬玲), Song
Z-J(宋兆建), Dai B-C(戴兵成), Cai D-T(蔡得田). Studies on
growth and flowering characteristics of polyploid hybrid rice
parents with strong heterosis. Sci Agric Sin (中国农业科学),
2008, 41(11): 3456−3464 (in Chinese with English abstract)
[31] Cai D T, Chen D L, Chen J G, Liu Y Q, Wang A Y, Zhang W, Ma
Y F, Dai B C, Yang C H, Song Z J, Du C Q, Hu Y P, Liu J X. A
new pathway of super-rice breeding by wide cross and poly-
ploidization. In: Yuan L P, Peng J M, eds. Hybrid Rice and World
Food Security. Beijing: China Science and Technology Press,
2005. pp 165−172
[32] Zhu J-F(祝剑峰), Liu Y-Q(刘幼琪), Wang A-Y(王爱云), Song
Z-J(宋兆建), Chen D-L(陈冬玲), Cai D-T(蔡得田). The cellular
and embryologic studies on allohexaploid rice AACCDD and
triploid rice ACD. J Plant Genet Resour (植物遗传资源学报),
2008, 9(3): 350−357 (in Chinese with English abstract)
[33] Katayama T, Onizuka W. Intersectional F1 plants from Oryza sa-
tiva × O. ridleyi and O. sativa × O. meyeriana. Jpn J Genet, 1979,
54: 43−46
[34] Wang A-Y(王爱云), Chen D-L(陈冬玲), Cai D-T(蔡得田). Ap-
plications of wide hybridization and allopolyploidization in rice
breeding. J Wuhan Bot Res (武汉植物学研究), 2005, 23(5):
491−495 (in Chinese with English abstract)
[35] Wendel J F. Genome evolution in polyploids. Plant Mol Biol,
2000, 42: 225−249
[36] Yang J(杨继). The formation and evolution of polyploid genomes
in plants. Acta Phytotaxon Sin (植物分类学报), 2001, 39(4):
1152 作 物 学 报 第 36卷

357−371 (in Chinese with English abstract)
[37] Chen Z J. Genetic and epigenetic mechanisms for gene expres-
sion and phenotypic variation in plant polyploids. Annu Rev
Plant Biol, 2007, 58: 377−406
[38] Yang C-J(杨长举), Yang Z-H(杨志慧), Hu J-F(胡建芳), He
G-C(何光存), Shu L-H(舒理慧). On the brown planthopper re-
sistance in introgressive lines from wild rice. Acta Phytophy Sin
(植物保护学报), 1999, 26(3): 197−202 (in Chinese with English
abstract)
[39] Wang B-N(王布哪), Huang Z(黄臻), Shu L-H(舒理慧), Ren
X(任翔), Li X-H(李香花), He G-C(何光存). RFLP mapping of
two novel brown planthopper (Nilaparvata lugens Stål) resis-
tance genes from Oryza officinalis. Chin Sci Bull (科学通报),
2001, 46(1): 46−49 (in Chinese)
[40] Sweeney M, McCouch S. The complex history of the domestica-
tion of rice. Ann Bot, 2007, 100: 951−957
[41] Song W-C(宋文昌), Zhang Y-H(张玉华). Rice tetraploidy and its
effect on agronomic traits and nutritional constituents. Acta
Agron Sin (作物学报), 1992, 18 (2): 137−144 (in Chinese with
English abstract)


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盐害表现和盐害机理、棉花耐盐性的机制和提高棉花耐盐性的途径与方法；后
三章在分析盐碱地棉花成苗影响因素、根区盐分差异分布的效应、盐害控制途
径、盐碱地营养障碍和盐碱地棉花养分吸收特点的基础上，详细论述了促进盐
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