一、引言雜交水稻是現代農業科技的重大成就之一。1964年，袁隆平受一株具有顯著雜種優勢的天然雜交水稻的啟發，率先在秈稻中開展雄性不育的研究，并于1966年首次報道“水稻的雄性不育性”，提出雄性不育系、保持系和恢復系“三系”配套利用水稻雜種優勢的育種設想，開啟了中國雜交水稻研究的序幕。之后，相繼研究成功了三系法和兩系法雜交水稻并大面積推廣應用，不僅為我國糧食安全作出了重大貢獻，而且為水稻等自花授粉作物具有雜種優勢提供了有力佐證。中國雜交水稻經過50多年的創新發展，成為了世界農業發展史上一道靚麗的風景線。本文客觀、系統、全面地回顧并解讀了雜交水稻發展歷程中的重大事件，可作為一部雜交水稻發展簡史呈現給讀者。二、雜交水稻概述雜交水稻分為三系法、兩系法和一系法三個戰略發展階段，朝著應用方法由繁到簡、效率越來越高、優勢水平由品種間到亞種間，甚至遠緣雜種優勢越來越強的方向發展。三系法是通過細胞核質互作雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復系的“三系”配套實現雜種優勢利用的方法。雄性不育系為生產大量雜交種子提供物質基礎，保持系用于繁殖不育系，恢復系用于給不育系授粉來生產雄性恢復且有雜種優勢的雜交水稻種子[圖1（a）]。中國三系法雜交水稻于1973年成功實現“三系”配套，是水稻雜種優勢利用的經典方法。“三系法秈型雜交水稻”于1981年獲中國國家技術發明獎特等獎。圖1三系法（a）和兩系法（b）雜交水稻示意圖兩系法是指只需不育系和恢復系進行雜種優勢利用的方法，最為成功的方法首推光溫敏核雄性不育（photo-thermo-sensitivegenicmale-sterile,PTGMS）系。光溫敏核雄性不育系在長日照高溫下表現雄性不育，在短日照低溫下表現可育，在不育期內制種，在可育期內自交繁殖不育系，同時不需要保持系[圖1（b）]。兩系法雜交水稻是中國獨創的農業科技成果，于1995年研究成功，當前年種植面積占雜交水稻品種的50%以上。“兩系法雜交水稻技術研究與應用”獲2013年中國國家科學技術進步獎特等獎。第三代雜交水稻，從某種意義上講也可認為是兩系法，它是通過遺傳工程技術自交繁殖普通隱性核雄性不育系而實現雜種優勢利用的方法，目前育成的品種已進入生產試驗示范階段。一系法雜交水稻是培育雜種優勢固定不分離的雜種一代，不需每年進行雜交種子生產。目前該技術還處于探索階段。國際上，日本科學家于20世紀50年代初開始粳型雜交水稻的研究。至60年代中后期，育成了“藤坂5號”不育系等一批粳稻雄性不育系，其中“臺中65號”不育系找到少數同質恢復系配組，實現了雜交粳稻“三系”配套。但是，由于親緣關系太近而沒有雜種優勢，或者種子生產等方面的問題沒有解決，國外粳型雜交水稻研究沒有取得實質性突破，生產上無法利用，目前基本處于停滯階段。中國科學家于1961年開始水稻雜種優勢利用研究。首創的秈型雜交水稻于1973年實現“三系”配套，獨創的兩系法雜交水稻于1995年研究成功。中國成為世界上第一個成功應用水稻雜種優勢的國家，截至2019年，中國育成各類型雜交水稻品種超過7000個，累計種植面積約6×108

hm2，增產糧食近9×108

t，累計多養活2.3×109

人，為保障中國糧食安全做出了突出貢獻，強有力地回答了25年前西方學者提出的“21世紀誰來養活中國人？”的疑問。1979年美國引種了中國種子公司提供的3個秈型雜交水稻品種，這些品種比當地良種增產165%以上，被稱為“東方魔稻”（OrientalMagicRice），引起了世界極大的關注。自1980年秈型雜交水稻走出國門至今，中國一直是世界上雜交水稻技術的輸出國。雜交水稻技術被聯合國糧食及農業組織列為增產糧食、解決發展中國家糧食短缺問題的首選技術。美國、日本、印度等國家，國際水稻研究所、國際熱帶農業研究中心等國際組織，以及德國拜耳公司、美國杜邦先鋒公司、美國孟山都公司、美國水稻技術公司等跨國種業公司均派高級專家到中國學習與交流，這些國家利用中國秈型雜交水稻育種技術和引種中國雜交水稻種質資源，開展本土化雜交水稻研究，并且已取得了一定進展，但由于技術起步晚、人才缺乏和資源有限等原因，水稻雜種優勢利用綜合技術水平遠落后于中國。目前，中國雜交水稻已在印度、孟加拉國、越南、菲律賓、巴基斯坦、美國、印度尼西亞、緬甸、巴西、馬達加斯加等60多個國家成功試種或推廣，年種植面積超6×106

hm2，為解決全球糧食短缺問題提供了中國方案和中國智慧。20世紀80年代以來，超高產育種成為國內外水稻育種研究的重點、熱點和難點。日本和國際水稻研究所按照設定技術路線均未能實現所制定的超級稻研究目標。中國于1998年啟動了“超級雜交水稻育種研究計劃”，中國科學家采取形態改良與雜種優勢利用相結合的水稻超高產育種技術路線，分別于2000年、2004年、2012年和2014年先后實現了中國超級稻育種計劃第一期單產10.5t·hm–2、第二期12.0t·hm–2（圖2）、第三期13.5t·hm–2、第四期15.0t·hm–2的育種目標。中國超級雜交水稻于2017年在中國河北省邯鄲市百畝（1畝=6.67hm2

）示范片中驗收的平均單產達到17.23t·hm–2，創造了世界高緯度稻區的水稻最高單產紀錄。2018年又在中國云南省個舊市百畝示范片中驗收的平均單產達到17.28t·hm–2，刷新了世界水稻大面積種植產量的最高紀錄。超級雜交水稻先后實現的中國四期超級稻研究計劃育種目標，被中國科學院和中國工程院兩院評為2000年度、2003年度、2011年度、2014年度中國十大科技進展。中國至今育成的132個超級稻品種中，超級雜交水稻占75%，且米質也顯著提升。三等以上優質品種由“十五”規劃期間的32.0%提高到“十三五”規劃期間的51.4%。推廣面積目前已占全國水稻種植面積的30%以上，使中國成為了世界上唯一一個大面積成功應用超級稻的國家。三、三系法雜交水稻中國三系法雜交水稻細胞質雄性不育資源有野敗（WA）型、岡型、D型、印尼水田谷型、矮敗（DA）型、紅蓮（HL）型、K型、馬協型、包臺（BT）型、滇型等60多種，統歸為野敗型、紅蓮型和包臺型三種類型。無論哪種類型，從研究到應用依次要克服三大難關：雄性不育保持系培育關、雄性不育恢復系選育關和雜交種子生產（俗稱“制種”）關。（一）雄性不育保持系的培育中國科學家于1961年從天然雜交水稻獲得靈感：自然界存在天然雄性不育株，并開始尋找天然雄性不育株。終于在1964年從“洞庭早秈”“南特號”“勝利秈”等秈稻品種中發現概率僅為1/50

000的無花粉、花藥退化或者花粉敗育型的自然雄性不育株。然后，由全國多家水稻育種單位協作，通過大范圍測量保持系和人工培育保持系等多種手段，歷時6年與成千上萬個水稻品種測交并篩選其雄性不育保持系，結果均達不到100%的保持不育，最終以失敗告終。后來研究證明，這些水稻雄性不育株均為普通核雄性不育株，難以找到保持系。面對失敗，中國科學家仍堅信當初的“三系”配套方案一定能實現（圖3），并改變策略，從親緣關系較遠的野生稻中尋找或通過遠緣雜交創造雄性不育材料。直到1970年冬，在海南南紅農場沼澤地的普通野生稻群中發現一株花藥瘦小、黃色、不開裂，內含典型花粉敗育型雄性不育株，定名“野敗”。隨后全國陸續有19個省份的研究人員加入協作攻關，對“野敗”進行大量的測交，發現“二九南1號”“珍汕97”等長江流域早秈種質能保持“野敗”雄性不育。研究人員采取“南繁北育”（south-reproductionandnorth-selection）加速育種，經過兩年的多代回交轉育，于1972年成功培育出“二九南1號A”“珍汕97A”等系列野敗型雄性不育系及其保持系“二九南1號B”“珍汕97B”，至此才突破雄性不育保持系培育的難關。因此，科學界認為“野敗”的發現為中國雜交水稻研究打開了突破口。1972年中國科學家在海南紅芒野生稻同江西地方秈稻品種“蓮塘早”雜交后代中發現雄性不育株，這是一種有別于野敗型孢子體不育（典型敗育花粉，花粉敗育發生在單核后期）[圖4（a）]的新類型。雄性敗育類型屬于配子體不育（圓敗型花粉，花粉敗育發生在二核期）[圖4（b）]。后來，用“蓮塘早”連續回交，于1974年成功培育出紅蓮型細胞質雄性不育系紅蓮A及其保持系。1966年日本學者利用印度秈稻“欽蘇拉包羅Ⅱ”為母本同中國臺灣粳稻“臺中5號”雜交育成包臺型雄性不育，也稱BT型雄性不育，屬于配子體不育類型（染敗型花粉，花粉敗育發生在三核期）[圖4（c）]。1972年中國科學家引進該雄性不育資源，該品種是中國三系雜交粳稻應用最廣的細胞質雄性不育資源。測交發現，絕大多數粳稻品種對該品種具有保持能力。第一個粳稻包臺型細胞質雄性不育系黎明A于1975年育成。圖2第二期超級雜交水稻新品種“Y兩優1號”（被譽為“瀑布稻”）的株型圖圖3“三系”配套原理圖。S：細胞質雄性不育因子；N：細胞質雄性可育因子；R：雄性育性恢復顯性基因；r：雄性育性恢復隱性基因

圖4.三大類細胞質雄性不育敗育花粉。（a）野敗型敗育花粉（孢子體不育）；（b）紅蓮型敗育花粉（配子體不育）；（c）包臺型敗育花粉（配子體不育）。經ScienceChinaPress許可，轉載自參考文獻，?2012（二）雄性不育恢復系的選育在克服種種困難育成雄性不育系、保持系后，尋找恢復系也大費周折。一般而言，恢復系的選育與不育系的選育是同時起步的，但當時有學者認為“野敗”與栽培稻一旦完成核置換后，雜交后代將不會結實，或者找不到恢復系，抑或沒有優勢等。在這個關鍵時刻，中國將“雜交水稻研究”列入國家重點研究項目進行全國協作攻關。從1972年冬天開始，“三系”選育主要集中在恢復系選育上。全國10多個省份的研究人員利用各類稻種資源進行了大量的測交恢復系試驗，發現“野敗”細胞質雄性不育的恢復基因主要分布在血緣較近的低緯度熱帶稻種資源中，并從國際水稻研究所的IR系統品種中找到對“野敗”雄性不育恢復較好的“泰引1號”“IR24”“IR661”“古154”等種質，并于1973年實現野敗型雄性不育系、保持系和恢復系“三系”配套，育成“南優2號”“汕優2號”等第一批野敗型雜交水稻組合。1976年中國開始大面積推廣應用雜交水稻，并成為世界上第一個成功利用水稻雜種優勢進行水稻生產的國家。自1978年開始，野敗型恢復系的培育已由從國外引進水稻種質篩選走上了自主創制的道路，利用恢復系×恢復系、恢復系×優異種質、輪回選擇與分子標記輔助選擇結合等方法創制的恢復系改變了外引恢復系遺傳基礎單一性的風險，極大推動了野敗型雜交水稻品種的更新換代。例如，采取恢復系×恢復系技術于1981年育成抗病性強、優勢強、適應性廣的高配合力恢復系“明恢63”，其育成組合達34個，推廣面積超過8×107

hm2。紅蓮型恢復系與保持系的關系明顯不同于野敗型。大多數野敗型恢復系對紅蓮型雄性不育有保持作用或半恢半保作用，而長江流域為數不多的常規秈稻品種，如“揚稻6號”“特青”“E32”等對紅蓮型雄性不育有強恢復性。紅蓮型雜交秈稻“三系”配套直到20世紀90年代后期才成功實現。中國科學家研究發現，來自中國長江流域的秈稻含有能恢復包臺型細胞質雄性不育的恢復基因，并于1975年通過“秈粳架橋”人工制恢技術將秈稻恢復基因轉育到粳稻中，成功解決了包臺型雄性不育系恢復基因資源匱乏的問題，育成的“C57”標志著中國成功實現了包臺型雜交粳稻的“三系”配套。1990年第一個大面積應用的包臺型三系雜交粳稻組合品種“黎優57”被成功育成。

（三）制種雜交水稻實現“三系”配套后，要使雜交水稻實現大面積生產應用，還存在一個制種的難題。由于雜種優勢只表現在雜種第一代上，需要每年制種生產雜種第一代種子。雜交水稻制種技術的研究由探索到成熟大致經歷了三個發展階段。制種開始之初，由于缺乏經驗，恢復系花粉量不足被認為是導致制種產量低的主要原因。于是通過多次制種試驗，采取多插父本、母本緊靠父本種植等增加花粉量的相關措施，以增加單位面積花粉量，從而使母本能接受較多花粉，達到提高制種產量的目的。后續的研究表明，上述措施使單位面積（即1cm2）的散落花粉數達到約450粒，完全可滿足異花授粉需要，但試驗效果并沒有達到預期。1973年小面積制種產量不到0.09t·hm–2。通過制種經驗的積累，發現影響制種產量的因素并通過制種經驗的積累，發現影響制種產量的因素并不是花粉量不足，而是如何讓父本花粉均勻散落在母本柱頭上，因而，父母本花期相遇是制種產量的關鍵。根據這一認識重新設計試驗方案并采取系列針對性措施，初步形成了一整套制種技術，使得1975年小面積制種產量達到0.45t·hm–2。由于推廣面積不斷擴大，雜交水稻增產效果又非常顯著，因此，1976年全國各地對雜交水稻種子的需求量劇增，制種規模達60000畝（4000hm2

）。科研人員從制種幾公頃，一下擴大到制種4000hm2

，壓力非常大。在以父母本花期相遇為核心的制種技術的研究過程中，從制種地選擇、父母本育苗移栽、父母本群體構建、父母本花期預測、花期調整與花時調控、赤霉素噴施技術、輔助授粉（圖5）到隔離除雜等每個關鍵環節都進行反復摸索實踐。到20世紀80年代中后期，終于形成了一套完整、成熟、高效的三系法雜交水稻制種技術體系，大面積制種產量突破3t·hm–2，對促進中國雜交水稻快速穩定發展提供了堅實的技術支撐。四、兩系法雜交水稻兩系法雜交水稻育性只受細胞核控制。根據光照和溫度對核雄性不育系育性影響的主次，可將兩用核雄性不育系育性分為光敏型和溫敏型。由于不育系沒有恢復系和保持系關系，而且配組自由，稻種資源利用率高，因此兩系法更易于選育出高產、優質、多抗的雜交水稻，是比三系法更為先進的方法。（一）光敏和溫敏核雄性不育資源的發現與應用1973年，中國科學家在一季晚粳品種“農墾58”中發現3株自然雄性不育株，經過10多年的研究育成了光敏不育系“農墾58S”，建立了在長日照高溫條件下進行雜交制種、短日照低溫條件下自交繁殖不育系的光敏型兩系法雜種優勢利用技術體系。“農墾58S”不育性遺傳行為復雜，控制其雄性育性的光敏核不育基因有pms1、pms2和pms3。其中，pms3是位于第12號染色體上的一個非編碼RNA基因的單堿基突變，該基因使長日照特異雄性育性關聯RNA（long-day–specificmale-fertility–associatedRNA,LDMAR）在長日照條件下轉錄量降低，并造成“農墾58S”花藥程序化死亡提前，導致雄性不育。pms3是粳型光溫敏核不育系的最重要不育基因源[圖6（a）]。1991年，研究人員將“農墾58S”光敏核不育基因轉育到秈稻中，育成第一個秈型光溫敏核不育系“培矮64S”。1994年，研究人員又育成第一個兩系法雜交中秈組合，兩系法雜交水稻第一代骨干親本“培矮64S”的培育獲得2001年中國國家科技進步獎一等獎。1987年，中國科學家從秈稻中發現1株在高溫條件下表現雄性不育、低溫條件下表現雄性可育的天然雄性不育株，繼而育成秈型溫敏不育系“安農S-1”，利用其溫敏特性建立了在高溫條件下進行雜交制種、低溫條件下自交繁殖不育系的溫敏型兩系法雜種優勢利用技術體系。“安農S-1”溫敏核不育受第2號染色體上的隱性單基因tms5的調控[圖6（b）]。tms5編碼一個RNA酶ZS1，它的第71位C→A的突變導致高溫核雄性不育。該基因遺傳行為簡單，是目前中國兩系法雜交水稻應用面積最大的遺傳資源，已占兩系法雜交水稻的80%以上。圖5

大面積雜交水稻制種人工輔助授粉圖6控制光敏型核（a）和溫敏型核（b）不育的基因（二）理論創新自發現光敏和溫敏核雄性不育資源后，國家于1987年將兩系法雜交水稻研究列為“863”計劃專項，并組織全國16家單位協作攻關。在兩系法雜交水稻的早期攻關研究中，由于受到研究材料和試驗條件的局限性，研究的深度和廣度不夠，特別是對光照、溫度條件導致光溫敏核不育系育性轉換的規律認識不全面，認為其育性受日照長度控制，育性轉換與溫度無關。因基礎理論研究的不足，導致早期所育成的兩用核不育系絕大多數沒有實用價值，例如，在1989年盛夏，中國長江中下游地區連續3天出現溫度低于23.5℃的天氣，使所有光溫敏核不育系育性恢復，導致兩系法雜交水稻研究遭到嚴重挫折，甚至出現否定兩系法雜交水稻研究的傾向。在此嚴峻時刻，中國科學家經過冷靜分析，認識到問題的癥結：要考慮育性對溫度的反應，關鍵要揭示光溫敏核不育系育性轉換與光照和溫度之間的關系的基本規律。20世紀90年代初，中國科學家對“農墾58S”和“安農S-1”的育性轉換開展深入研究，發現光照和溫度對育性轉換的作用有主次之分，通過設置不同的光照長度和溫度條件，對光溫敏核不育系育性轉換進行了系統研究，建立了光敏型和溫敏型不育水稻育性轉換的光溫作用模式，理順了育性轉換與光照和溫度變化的關系，為選育實用的光溫敏不育系提供了理論指導（圖7）。通過對“農墾58S”和“安農S-1”不同生態條件和人工光溫條件下的不育系育性轉換特性的多年多點研究，發現無論是光敏型還是溫敏型，溫度都對育性轉換有較大影響。科學家發現了光溫敏核不育基因在不同遺傳背景下的育性變化規律，并結合不同生態區域的氣象資料，提出了選育不育起點溫度較低的實用光溫敏不育系關鍵技術指標的選育理論。例如，長江中游稻區的不育起點溫度低于23.5℃，這個溫度就是科學家根據長江中下游稻區的50年的夏季氣象資料分析，并從實用安全性考慮，通過多年反復試驗和實踐提出并證明的，是兩系法雜交水稻育種成功的關鍵。光溫敏核不育系繁殖若干代后，不育起點溫度顯著升高，致使不育系種子完全不能用于制種。例如，中國兩系法雜交水稻生產中應用最廣泛的光溫敏核不育系“培矮64S”育性轉換的臨界溫度，在1991年通過省級鑒定時為23.3℃，在按常規良種繁育程序和方法選種留種后，不育系的育性轉換溫度逐代升高，1993年已上升到24.2℃，1994年有些地方更高，達26℃。科學家把這種現象稱為起點溫度的“遺傳漂變”（geneticdrift）。光溫敏不育系育性遺傳的穩定性和變異性的研究，揭示了光溫敏不育系隨著繁殖世代增加、群體不育臨界溫度逐漸升高的“遺傳漂變”規律，闡明了光溫敏不育起點溫度“遺傳漂變”的機理，即育性轉換特性屬質量性狀，不育的起點溫度屬數量性狀，為不育系原種生產提供了理論支撐。這些研究發現，育性轉換對溫度敏感的部位是幼穗，敏感期為花粉母細胞形成期至減數分裂期；對光照敏感的部位是葉片，敏感期為第二次枝梗原基分化期至減數分裂期。這些研究成果為兩系法雜交水稻種子生產提供了理論依據。圖7光敏型核（a）和溫敏