多倍体杂交水稻：应对环境胁迫的新希望

《Rice》：Interspecific Hybridization Enhanced Tolerance to Salinity and Cadmium Stress Through Modifying Biochemical, Physiological, and Resistance Gene Levels, Especially in Polyploid Rice: A Sustainable Way for Stress-Resilient Rice

为探究杂交和多倍体对水稻的影响，研究人员对水稻杂交组合研究，发现多倍体杂交稻抗逆性强，为育种提供依据。

　　### 杂交水稻的逆袭之路：多倍体带来的新曙光
在全球气候变幻莫测的当下，农作物正面临着日益严峻的生存挑战。就拿水稻来说，盐渍化土壤和镉污染等问题，如同隐藏在暗处的 “杀手”，严重影响着水稻的生长发育，导致其产量和品质大幅下降，这不仅威胁着粮食安全，也给农业生产带来了巨大压力。

在此背景下，多倍体水稻走进了科研人员的视野。多倍体水稻具有生长健壮、抗逆性强、籽粒大等诸多优势，就像给水稻穿上了一层 “防护铠甲”。但美中不足的是，其较低的结实率限制了在农业生产中的广泛应用。与此同时，杂种优势在水稻育种中展现出了巨大潜力，可不同倍性水稻杂交组合在应对非生物胁迫时的表现却差异显著。

为了揭开这些谜团，来自华南农业大学的研究人员开展了一项意义非凡的研究。他们通过一系列实验，对比分析了二倍体和四倍体水稻杂交组合在形态、细胞学和分子水平的差异，评估了它们的杂种优势，并探究了镉和盐胁迫对其产生的影响。研究成果发表在《Rice》杂志上，为水稻育种开辟了新的道路。

研究人员选用了华南农业大学研究设施种植的多种水稻材料，包括二倍体和对应的四倍体水稻，以及它们的杂交后代。在实验过程中，运用了转录组分析、抗氧化酶活性测定、活性氧生理测量和杂种优势分析等关键技术方法。

在杂种优势评估方面，研究人员对不同杂交组合进行了详细分析。结果发现，二倍体杂交种 D1（P1-2x × H3-2x）在总粒数、实粒数、粒宽、单株产量等多个指标上优于对照品种，展现出较强的杂种优势；四倍体杂交种 T1（P1 × H3）的千粒重优势明显，且单株产量的中亲杂种优势、超亲杂种优势和平均杂种优势均超过 100% 。另一组杂交组合中，D2（P2-2x × H3-2x）的总粒数和实粒数具有竞争、中亲及超亲优势；T2（P2 × H3）在粒宽和千粒重上优势显著，且单株产量杂种优势可达 100% 以上 。此外，研究还发现，杂交种在早季的产量性状表现优于晚季，且四倍体杂交种在不同季节的波动小于二倍体杂交种。

转录组分析结果显示，杂种与亲本之间基因表达差异显著。在 D1 和 T1 中，多数基因集表现出显性效应，且二倍体杂交种 D1 从营养生长到生殖发育转变过程中基因变化相对较小且稳定，这或许是其杂种优势更强的原因。在 D2 和 T2 中，大部分基因表现为超显性。同时，研究还发现一些与杂种优势和胁迫相关的基因，如 OsEAF6 与杂种优势有关，OsCIPK14 参与防御信号通路。

在抗逆性研究方面，研究人员对杂交种和亲本进行了盐胁迫和镉胁迫处理。结果表明，杂交种在盐胁迫下的发芽率高于亲本，且四倍体杂交种在镉胁迫下表现出更强的耐受性，其根和地上部分对镉的吸收量明显低于二倍体杂交种和亲本。进一步研究发现，镉胁迫会导致水稻叶绿素 a、b 和类胡萝卜素含量下降，但四倍体杂交种的下降幅度小于二倍体杂交种。同时，四倍体杂交种在镉胁迫下的过氧化氢（H₂O₂）和丙二醛（MDA）含量增加幅度较小，谷胱甘肽（GSH）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化物质和酶的含量较高，这表明四倍体杂交种具有更强的抗氧化能力，能够更好地应对镉胁迫。

此外，研究人员还发现，在镉胁迫下，新四倍体水稻根中 OsABCC1、OsHMA3 和 OsNRAMP1 等金属转运蛋白基因的表达上调，有助于将镉转运到液泡中进行解毒；而在自交四倍体水稻中，这些基因的表达却下降，可能导致其解毒能力较弱 。同时，一些转录因子基因，如 OsERF1 和 OsNAC9，在四倍体和二倍体水稻中的表达也存在差异，这可能与它们对非生物胁迫的响应不同有关。

综合来看，该研究表明多倍体水稻在多个性状上具有较强的杂种优势，转录组分析揭示了其基因表达的非加性效应以及一些转录因子和环境响应基因的显著变化。杂交种对镉和盐胁迫的耐受性强于亲本，其中四倍体杂交种表现更为突出，具有最高的叶绿素含量、最稳定的抗氧化酶活性和较低的活性氧水平。这意味着四倍体杂交可能是提高水稻抗逆性的一种天然资源，为后续水稻育种提供了重要的理论依据和实践指导，有望培育出更多适应环境胁迫的水稻品种，保障全球粮食安全。