培矮64S的主效不育基因的光敏不育特性研究

中国农业科学 2001．34(5) Seientia Agrlcultura Sinica 培矮 64s的主效不育基因的光敏不育特性研究 曾汉来，张端品，张志玉，易稳凯，朱 信，蒙惠军 (华中农 大学作物遗传改良N家重点，武汉 430070) 摘要：培接 64S是由光敏棱 育 稻农垦 58S作 育基西供体转育 成的，怛其育悝表现为较强呻温度敏感性． 从培矮 64S与常规稻品种艰垦 58杂交后代F 中获得了典型的光敏雄 性 育椽，其可盲株与不育株 倒力 3：1{证 明控制培矮 64S育眭的主教基园仍属光敏棱不育基园。笔音在后认为．光敏棱不育基目的高蕉看过对其 在的 遣传背景有高度依兢性．在光敏裢不育糸选育中．在注重莸单王效光敏不育基因的司时．还要注重 其高教表达的遗 传背幂的选择与改造。在利用克睦的光敏棱不育基因进行分子育种对也要高度重视对转基固录本遣传背景的选择。 关键词：培矮 64S；光敏雄性不育性；遣传背景；基田表选 中图分类号 ：$511 03 文献标识码：A 文章编号 ：0578 1752(2001)05—0556—04 Studies on the Male Fertility Alteration Photoperiod Sensitive Characters of Peiai64S’Chief Male Genic Sterile Gene ZENG Han lai，ZHANG Duan—pin，ZHANG Zhi—yu，Y1 Wen—kai，ZHU Xin．MENG Hui—jun (NationalKey Laboratory ofCropGeneticImprovement，Huazhong A culturalUniverMty·~Vuhan 430070) Abstract；Peiai64S，an indica male sterile rice with male fertility alternation trait under different environments，is selected from the offspring of indica rice cross with Nongken58S． Nongken58S，a jnponica photoperiod sensitive genie male sterile rice (PGMS)and come from a natural mutant plant of normal ponica rice Nongken58，is used as a male sterile gene honor of Peiai64S．But Peiai64S is not a typical PGMS rice，the male fertility is more sensitive to temperature llke a thermo—sensitive genie male sterile rice (TGMS)． W e selected typical PGM S plants in F2 population of Peiai64S× Nongken58，the fertility plants and sterile plants distribution is near 3：1_The sterile gene is conformed to one pair gene segregation mode1．The result indicates the chief male sterile gene in Peiai64S isn’t other·it is the PGM S gene come from Nongken58S． The genetic background affected PGMS gene effective express． This suggested that，we ought to focus on optimizing the genetic background of PGMS gene in PGMS rice breeding，and select an idea genetic background as transgenlc background in molecular breeding． Key words：Peiai64S；Photoperiod sensitive genie mail sterility(PGMS)；Genetic background；Gene expression 粳型光敏核不育系农垦58S作为不育基因供 体育成的大批籼型核不育系中，具有典型光敏核不 育特性的不育系为数不多，多表现为育性转换对温 度敏感性强、光敏性较弱。对这类不育系与温敏核不 育基因控制的温敏不育系的育性光温反应特性比较 研究表明，两类不育系存在明显差异，光敏不育基固 源的不育系在特定温度范围内有明显育性光周期效 应，具有典型的红光、远红光处理育性逆转效应．因 此它们从遗传本质上仍属光敏不育类型，在生产应 用中不能简单地将带有光敏不育基固的“温敏不育 牧稿日期：2001—05—08 基金项目：“863 计划生物技术领域 九五’．重大技术项目课题(Z16—02 01 05／ 作者简介：曾汉来(1964一)．男，湖南汉寿^．副教授．在职博士．研究方向为作物遗传育种及基固表进生志稳定性 Mobile：13507169010：E mail： n @mail hzau．edu．Cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 曾汉来等：培矮 64S的主效不育基因的光敏不育特性研究 系”与真正的温敏不育系等同一 。尽管如此，目前仍 有一些研究者在研究培矮64S及同类型不育系的育 性温度反应特性时忽视其具有部分育I生光敏性的特 性，导致不同季节或在不同光长条件下育性对温度 反应的结果存在较大差异。培矮 64S在长光照下的 不育临界温度为 24 C，少数生产部门在南方春季进 行制种．即使温度条件在 24℃以上但因光照长度较 短而造成自交可育，导致损失。为了更清楚地从遗传 本质上认识培矮 64S中不育基因的光敏特征，本试 验以培矮 64S作为不育基因供体，与常规水稻杂交， 对其后代进行育性光温鉴定，试图选出典型光敏核 不育株系 证明培矮64S的不育基因具有光敏不育 基因特性 1 材料与方法 1．1 材料 经多代自交的培矮64S，常规晚粳品种农垦 58。 培矮 64S×农垦 58的F 、F 、F。、F 及回交组合 Bc (F ×培矮 64S)、BC (F ×农垦 58) 反交(农垦 58 ×培矮 64S)的 F 、F 。用农垦 58S作光敏不育系对 照 。 1．2 方法 1．2 1 育性转换株选择 1 994年在海南以培矮 64S、农垦 58进行杂交获正、反交的F ，在武昌自然 长日高温下对正、反交 F 进行育性和生育期观察并 获得足量 F 种子，用正交 F 作父本分别与两亲本 回交得回交 BC 、Bc!种子。于 1 995年形成 750株 的正交F 群体、各 60株的BC 、BC 群体，在自然长 日高温(8月)和短日低温(10月)下考查每株花粉育 性，标记雄性不育株。选取长日高温下花粉败育、其 再生稻短 日低温下高度可育的单株作为育性转换 株，按株收取种子，并留稻蔸保温过冬。 1．2．2 育性转换株的育性光敏性鉴定 用育性转 换特性典型的F 单株的稻蔸，分株编号，1996年培 育新生苗，每株分蔸 2份，形成 2组相同的材料。于 6月 10日开始对其中一组在自然温度条件下进行 人工遮光处理，使其暗期为 1 2h(19：30～7：30)，另 一 组为自然长光照(光长为 14．3～14．6h)，至 8月 20日结束，光照处理 25d后开始连续考查当日抽出 穗的花粉育性，成熟后考查自交结实性， 花粉可染 率(深染+浅染花粉百分率)为主要育性评价指标， 比较2种光长下同期抽出穗的育性。各处理以培矮 64S和农垦58S作对照。F 单株种子于5月10日播 种组成 F s株行，于幼穗分化第二次枝梗形成始期 (Ⅱ)分别进行长光(1 4．5 h)和 短光 (12．0 h)处理， 光照处理与育性鉴定方法同上。选取育性光敏性较 明显的 F 株行稻蔸在海南扩大繁殖，1 997年同时 进行大田F 的较大群体育性稳定性观察和 F 的人 工光温条件下育性光敏性进一步鉴定 2 结果与分析 2．1 F1、F 2和回交群体的育性分离及不育株的生育 期分布 亲本培矮 64S、农垦 58的 F 在 自然长光高温 下均正常可育，正、反交F 无明显差异 由750株组 成的正交 F。群体在自然长 日高温下单株的育性发 生了分离。以自然结实率低于 5 作为不育株划分 ，出现了 179株不育株，57]株可育株，可育株 与不育株之比接近 3：1，符合 1对不育基因遗传分 离比例。F 群体的单株育性分布不是连续的，而是 由不育株群与可育株群形成的双峰分布。 F 与不育亲本培矮 64S回交群体(BC )60株 的单株育性集中分布成两群， 低于 5 作为不育 株划分标准则有不育株 25株，符合1；1分离比。F 与可育亲本农垦 58回交群体(BC )中没有出现不 育株，群体只形成 1个育性分布。 F 、BC 、BC 中都出现了一些低度可育株，这些 单株的出现可能与籼粳交后代育性复杂性有关，也 可能由于群体生育期变化范围较大，自然光温条件 差异导致一些不育株未能表现不育。这些低度可育 株的数量不能影响不育株与可育株分离比例。可见， 控制培矮64S育性的主效基因是 1对隐性质量性状 基因。 9月下旬于自然短光低温条件下观察再生穗的 育性，571株可育株均表现正常可育；179株不育株 中有 138株转换为不同程度的可育，但有41株仍保 持不育，无育性恢复。 F 群体的生育期也出现了较大程度分离，其播 一 始穗历期范围为78～1 32d。1 79株不育株分布于不 同生育期类型中，其生育期范围为 80～130d，即不 育株在Fz的不同生育期类型中均有出现，表明不育 性与生育期长短没有紧密连锁关系。 2 2 F 育性转换株及其后代的育性光周期敏感性 与遗传稳定性 从 F 的 138株育性转换株中选择育性转换特 性明显、转换幅度大且具有不同生育期的单株进行 育性光周期反应鉴定，表 2列出了其中 9个单株 28℃时的长、短光照下的花粉败育度。9个单株均存 维普资讯 http://www.cqvip.com 558 中 国 农 业 科 学 34卷 Fl(1)：Peia164S×N。 日kenj81Fl(2){Nongken58XPeiai64St F2：Peiai64S ×Nongken58；BCl：Fl(1)×Peiai64SI13(2 2：FI(1)×Nongken58 在育性光周期反应，即长光照诱导花粉败育度升高． 在 28c长光照条件下高度不育。单株之间存在育性 光周期敏感性的较大差异，其光周期反应率变化范 围 为 1．86～ 138．39。不育 株 6458 3S、6458—4S、 6458 5S、6458—7S的育性光周期反应较强，与光敏 不育系农垦 58S相似，其中 6458—4S和 6458 5S的 育性光周期反应率超过了农垦 58S 单株 6458 1S、 6458—2S、6458—8S和 6458—9S则与培矮 64S的光敏 性相当，属弱光敏型不育株。单株6458 6S表现为育 性光敏性极弱，高温下不同光长均表现不育。 9个育性转换株的生育期存在较大差异，其播 种至抽穗历期变化范围为82～124d，生育期长短与 育性光周期反应率之间没有显著相关关 系。如 6458—5S和 6458—6S之间生育期相同，但二者的育 性光敏性相差甚大 表 2 28℃ 下培矮 64S×农垦 5B中9十 F2育性转换株的育性光周期反应 Table 2 The male fertile photoperiod reaction of 9 male fertility alteration plants come from Pe[a[64S× Nongken58 F population under 28℃ 育惟光周期反应率=(LD—SD)×1 00／SD 。 败育花粉百分率； 相对于农垦58S的育性光周期反应率的百分率 The photoper[od reaction rllte of male fertility= {LD—SD)× IO0／SD } The sterile pollen percentageI。 Nongken58S’photoperiod reaction rate of male fertility 对来自F 光敏不育株 6458—3S、4S、5S和一7s 的 F。各 60株在人工光温生长箱中控制光温条件下 进行育性鉴定，次年对其 F 各 60株再次进行人工 光温育性鉴定，同时对各 500株进行大田自然长 日 高温下群体育性鉴定。F 光敏不育株的后代 F。、F 仍保持了在长光照下不育、短光照下可育的育性光 敏感特性，后代中没有分离出正常可育或无育性转 换特性的单株。尽管F 的不育性水平未达到实用不 育系的不育标准，但株间标准差较小，已表现群体光 敏不育性的基本稳定。 3 讨论 3．1 培矮 64S的主效不育基因中存在 1对光敏不 育基因 培矮 64S×农垦 58杂交组合中，不育性表现 1 对隐性基固的遗传分离规律，F。的不育株在自然光 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 曾汉来等：培矮 64S的主效不育基固的光敏不育特性研究 温条件下多数具有育性转换特性，且都表现不同程 度的育性光敏性。亲本农垦 58在正常自然光温范围 内是没有育性转换特性的，培矮 64S×农垦 58后代 中的育性光敏感特性遗传因子只能来源于培矮 64S 的不育基因，亦即培矮 64S的不育基因中至少有 1 对不育基因是隐性光敏棱不育基因。培矮 64S是由 农垦58S转育成的．不论其不育基因多寡，其中有一 对来源于农垦 58S。故而从遗传本质而言培矮 64S 届光敏核不育系。认识这点对该不育系的应用有重 要意义：在研究其不育临界温度特性和作不育系用 于杂交制种时都不能忽视所处的光照因子的作用， 不能与温敏不育系等同。 3．2 光敏核不育基因表达对所处遗传背景的依赖 性 光敏核不育基因在培矮64S的遗传背景下只能 部分表达光敏不育性，而在培矮 64S×农垦 58的后 代中出现了能充分表达的遗传背景。农垦 58遗传背 景中存在某些有助于光敏不育基因表达的因子，而 这正是培矮 64S遗传背景中所缺少的。同时仅 有 1对光敏不育基因对光敏不育性状充分表现是不 够的，光敏不育基因的表达还依赖其它遗传因子的 存在。从培矮64S×农垦 58 F 中获得的光敏不育株 的光敏不育性能稳定遗传，这些协助光敏不育基因 充分表达的遗传因子能在低世代形成相对稳定的基 因型．其遗传方式和基因数量可能并不复杂。 生育期长短是反映水稻发育光、温敏感性和基 本营养生长性的综合指标，本研究所用组合与其它 研究的结果一样，生育期并不直接决定不育株的育 性光敏性强弱口] 分子遗传学研究表明，发育感光性 的主效基因位于第 6连锁群，而光敏不育基因涉及 第7、12染色体一 可见发育感光性强弱或籼、粳性 对光敏不育基因表达的影响尚不肯定 光敏不育基 因表达的理想遗传背景中包括哪些基本因子尚需深 入研究。 在光敏核不育系特别是籼型光敏不育系选育 中，在利用分子标记选择主效不育基因时，还应注重 选择光敏不育基因充分表达所需的遗传背景因子， 否则难以达到育种目标。 Referenoes： 1 一 Ze H L， Zhang Z G， Lu X G， et al Discussion on classification of pbotoperiod and thermal sensitive E nec male s~erile rice W6l54S：J] Journal of Huazhong Agri Univ l995，l4(2)：l05 I10 (in Chinese) 曾救米．张自国，卢兴桂 等 W6154S类 水稻在光敏、温敏 分类问题上的商讨[J] 华中农业大学学报 1995。l4(2)：lo5 儿 0 7_2： ze H L，Zhang D P，Zbaag Z G，et al Phototherma[ responses of development and m丑】e sterility in theⅢa】e tertile a[teraarion p[ants in the generations 0f W6l54S／Nongken58 L J ．Acta Agronomica Sin~a l 99 7，231 6)：693 698．1in Chinese) 曾祝米 张端品，张自国，等．W6l54S×农垦 58后代育性转换 株的发育与育性光温反应特性研究[J： 作物学报，l997，23 (B)．693 698 E3_ L L Z Y，Lin xH，Xie Y F ec a1．Tagging 0f a photoperiod sensitive genic male sterile gene in Noagken 58S via molecular markers[J]Acta Botanica Sin~a，1 999 41("：73】 735(in Cbinese) 李于银．林兴华。谢岳峰，等．利用分子标记定位农垦 58S的光 敏棱不育基因[J]．植物学报 1999，41(7)：73l 735． ：4 zha Q F，Shen BZ DaiX K，et al Using bulked emm es and recessNe class to Ⅲa0 genes 1or photuperiod sensitive genlc male sterility in rice=J： Proc．Nat[．Aead．So1．USA 1994，9l：8675 8679 维普资讯 http://www.cqvip.com