水稻雜交實習

98.5.22 

被視為「主宰生命的程式」的基因---是DNA中含有特定遺傳訊息的一段序列，具有合成一種特殊蛋白質的訊息，為遺傳密碼的基本單位，一條植物染色體上之DNA分子往往有數千個基因。 

1953年Watson-Crick發現DNA雙股螺旋結構，DNA分子由兩股互相平行且方向相反的螺旋狀組成核?酸序列，每股DNA長鏈以磷酸與去氧核糖相連，兩條長鍊間以含氮鹼(有基腺嘌呤(A) 鳥糞嘌呤(G) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T)四種)相接，彼此以氫鍵相接，其中A與T配、G與C配對，而生物的遺傳多樣性，乃在於含氮鹼基的排列順序不同。

人類的染色體有二十三條 (對)、水稻有十二條 (對)，生物在形成生殖配子時，親本細胞內同源染色體，經過減數分裂，使生殖細胞的染色體數目減少一半，當精子與卵子結合之後，使親代與子代之間的染色體數目方能保持恆定，以保證物種的相對穩定性；另外在減數分裂過程中，發生非同源染色體的重新組合，以及同源染色體間的部分交換，使配子的遺傳多樣化，增加新環境適應的可能性，而變異則是演化上最重要的動力。

鳳凰花開，林順福老師帶領台大農藝系三年級學生進行水稻雜交實習，上課前一小時林老師就到農場上勘查，與研究生準備示範教具。

水稻花非常小，因為沒有花瓣，稱為穎花，由內、外穎保護著細小的雄蕊及雌蕊。一般在早上9-10點開花最旺盛，開花時因雌蕊基部之鱗被膨脹使外穎張開，開穎時間約1~2小時。水稻在它的穎花打開前，雄蕊的花藥囊就已經打開，將細小的花粉散放出來。

水稻花粉成熟後(稱花粉粒，是配子體)裡面有兩個核，分別為生殖核與管核。花粉粒落到柱頭上約30分鐘即可達到胚囊，花粉管的萌發由管核負責；生殖核會沿著花粉管跑到子房那裡去，路途中會有絲分裂一次變成兩個精核。而雌蕊的部份：胚囊中有8個核，其中之一為雌配子(卵子)，另外有兩個獨立的核，稱為「極核」。

花粉管前端在胚囊內裂開，兩個精核進入胚囊後，一個和卵結合，行細胞分裂約14天發育成胚(2n)；另一個精核會和兩個極核融合成三倍體，這三倍體將來行細胞分裂發育為胚乳，儲存養分提供將來種子發芽時之用，也就是平日我們吃白米的部分。精核分別與卵細胞、極核細胞結合稱為「雙重授精」，平日看到的被子植物和極少部分的裸子植物(麻黃門)都是。

在自然環境下，水稻雜交率低於4~5%，所以稱為「自交作物」。因此，讓去掉雄蕊的「母本」水稻的雌蕊，接受另一品種的「父本」水稻的花粉，讓子代有機會改變遺傳特徵，利用這種方法育種就稱為「 雜交育種」。

老師播放郭益全博士在農試所做「水稻雜交」的紀錄片，大拇指上排列的黃色小點就是用鑷子一個個取出的雄蕊，真令人感念，時間過得真快，今天這些學生已是當年考「香米碑」的下一屆。(註 :香米碑為學測作文題目，寫一篇紀念89年心臟病猝逝的郭益全博士並記述台灣益全香米育種歷史的文章)  生物所表現出來的明顯特徵(如株高、穗高、花色、氣味等)稱為「性狀」，遺傳性狀是由成對的遺傳因子所控制(基因有顯隱性關係例如A 相對於a為顯性，具有基因上位效應)，例如益全香米的芋頭香即是由一對基因所控制。 

孟德爾認為在一般生物細胞中遺傳因子是成對存在，當生物產生生殖細胞時，成對的遺傳因子會分離，分別進入不同的生殖細胞，稱為「分離律」，而且兩種遺傳因子的分離之間不會互相影響，成對的遺傳因子在分離後會進行自由配對，稱為「獨立分配律」，當兩個生殖細胞結合時，遺傳因子又恢復成一對。

運用這原理，如果希望育成產量高又抗病的新品種，簡單來說，首先將豐產的品種A(基因AAbb)與抗病的品種B(基因aaBB)作「雜交」產生F1世代(基因AaBb)，把AaBb自交產生F2後代，如果這時交給農民到田間種植，除了環境影響，因同源染色體的互換、非同源染色體的排列組合以及隨機受精等「遺傳重組」，會有AABB、AABb、AAbb、AaBB、AaBb、Aabb、aaBB、aaBb、aabb九種基因組合，個體之間遺傳變異很大，生長性狀良莠不齊，農民可吃不消，因此育種家要把基因純化，「選拔」優良性狀分株收獲栽種，經過數個世代，直到Fn世代都是同型結合基因型產生的後代(AABB、AAbb、aaBB、AaBB、aabb)，即每個對偶基因都一樣，後代不會再產生變異，與親本一模一樣，成為純系品種。

郭益全博士自1992年開始以「台農4號」為父本，取其具有國人喜愛的芋頭香味，母本則為外觀、品質均佳的「日本絹光米」，雜交產生F1世代，F1自交產生F2世代之後， 在田間「行列試驗」以譜系法(1927 H.H.Lowe年提出)開始在早期世代選拔具有優良特性組合之個體，選育過程詳細調查與紀錄親緣關係及農藝性狀(如株高、抽穗期、葉片數、產量)等，經過每半年一個世代，品系觀察直到遺傳純化固定，1995年秋F7世代起再進行初級產量比較試驗、高級產量比較試驗、區域試驗，直到2000年F16-17世代才進行登記，由專家組成評審團審查決定是否命名，再由賴明信博士接棒推廣，在全國參加栽培說明會或田間觀摩會超過二百四十場次，接受指導的農民超過三萬人次，2006年輔導台南後壁栽種的益全香米，參加全國良質米競賽，榮獲總冠軍，眾人合作努力，台農71號(益全香米)才真正成為一個消費者喜歡的成功品種。

傳統育種直接採用兩親雜交的方式，得到新的變異，植物除了細胞核內的基因，細胞質內的粒線體及葉綠素也有遺傳物質，故以「優良栽培品種」或具有「優良細胞質遺傳特性」者當雌親，具有顯性外表型(型態)當雄親，以利鑑定產生雜交種。這次水稻雜交的親本主角是「桃園3號」與「越光」，選擇93年7月命名的「桃園3號」具芋頭香味、豐產良質作為雌親，而較不適合台灣環境生長、產量不高的「越光」作為雄親。如果顛倒來作，雌親選擇「越光」後代的成果可就完全不同。 

研究生發下水桶，大家準備到農場上挖「桃園3號」。

老師到農場上檢查哪些健康正將開花的「桃園3號」，插上標示牌，拿大鏟子親自示範如何挖取。用鏟子在老師標示的水稻旁小心畫圈避免傷害根系，力氣小的女生，在鏟子上加上腳踩的重力，把水稻連根帶土鏟起來，以便人工授粉後繼續栽種。 

拿回來的桃園3號要趕緊澆水，以免脫水凋萎，不少人忘記這個簡單步驟而影響雜交的成果。

選擇有50~60%穎花即將開花的稻穗供去雄使用，背光看比較容易找到花藥高度達穎花一半長度稻穗。用剪刀剪除其他已經開過(花藥會伸出到穎花外)或過早的花苞(花藥未達穎花長度一半、或孕穗期還包在劍葉的葉鞘裡)，以免影響雜交成果。 

溫湯去雄：將稻穗置於43度C的溫水浸泡約5分鐘，和一般洗澡的溫度差不多，使90%花藥內的花粉失去活性，泡太久會影響雌蕊的功能。

雖然系上有真空吸器機可以協助吸取花藥，然而這次林老師敎大家「人工去雄」，首先，「斜剪」穎花上端1/3至1/2部位，增加開口面積比較好操作。

用鑷子一端伸入穎花壓著花藥一個個向外推除，縱使夏日公館車水馬龍，全體學生安安靜靜在不到0.5公分「水稻之心」大作功夫，耐心移除6枚雄蕊。

雌蕊柱頭分開成兩個花柱，柱頭為羽毛狀以利花粉著落，看到鑷子尖端的雌蕊嗎 ?只要眼花、煩躁不安，一不小心去掉雌蕊，這顆穎花就報銷了，「人工去雄」可真是夏季「靜心養心-磨耐心」的好工作。

下田順勢拔起授粉用的雄親稻穗，收集成一束用來約會還蠻漂亮的，一樣要放入水盆保濕，使用燈泡照射花穗將有助於開花，可供當日或隔日授粉用。天候對開花有很大影響，穎花開花角度晴天約35度、雨天30度、暴風雨23度，最適溫度為30~35度C、溼度為70~80%，花粉活力最棒。 

將去雄剩下雌蕊的「桃園三號」花穗集中，灑上「越光」稻穗上的花粉，去雄後的稻穗授粉成功率逐天遞減：第1天有60~80%、到第4天只剩下 10~15%，因此育種是早起搶時間的工作，清晨6~7點的農改場，剛做完落花生雜交回來的人向正忙向水稻雜交的工作人員笑說「早」。

進行授粉後，為避免感染其他花粉，也可以讓缺乏完整外穎保護的水稻種實順利生長，老師幫大家拿到農改場育種專用紙袋，在紙袋上標示親本名稱、日期、人員，將 「桃園三號」套上紙袋，在基部用迴紋針或訂書機固定，授粉後植株需有良好光照，但要避免風吹雨淋及病蟲害侵犯，今日的工作就算告一段落，林老師掏腰包請同 學吃冰淇淋。

隔天老師巡察大家作業成果，提醒大家「應剪除新長出非雜交之穎花」。

每一個稻穗大約有70~100個穎花，當水稻的媒人可真不容易，不僅幫男女主角牽線，還要包生，林老師要求每位同學至少做50個穎花雜交，1個成功60分，10個成功90分，一週後，鄭誠漢老師幫忙打開紙袋檢查成果，在一堆穎花的空包彈，好不容易摸到冒出像豆芽的成功小米粒，我也成功2個，真開心！！