全 文 :核 农 学 报 2013ꎬ27(6):0750 ~ 0757
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2012 ̄12 ̄04 接受日期:2013 ̄05 ̄03
基金项目:国家“863”计划(2006AA100101 ̄2)
作者简介:蔡健(1968 ̄)ꎬ男ꎬ安徽阜阳人ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事水稻遗传育种和优质高产栽培技术研究ꎮ E ̄mail:fycaijian@ 163. com
通讯作者:马同富(1965 ̄)ꎬ男ꎬ安徽阜阳人ꎬ研究员ꎬ主要从事水稻遗传育种和优质高产栽培技术研究ꎮ Tel: 0558 ̄2595619ꎻE ̄mail:matongfu6328
@ 126. com
文章编号:1000 ̄8551(2013)6 ̄0750 ̄08
水稻 CMS ̄WA和 CMS ̄Y育性恢复基因
Rf3 和 Rf4 的等位性分化
蔡 健1ꎬ2 兰 伟1 廖秋平2 马同富1
( 1 阜阳师范学院生命科学学院ꎬ安徽 阜阳 236041ꎻ 2华南农业大学植物分子育种重点实验室ꎬ 广东 广州 510642)
摘 要:为了检测水稻第 1 染色体上恢复基因 Rf3 和第 10 染色体上恢复基因 Rf4 的等位性分化ꎬ利用 8
个携带 Rf3 基因座位ꎬ16 个携带 Rf4 基因座位的染色体单片段代换系 ( chromosome single segment
substitution lineꎬSSSL)和华粳籼 74(HJX74)为父本ꎬ野败型(WA)细胞质雄性不育系珍汕 97A(ZsA)和
Y型(Y)细胞质雄性不育系 Y华农 A(HnA)为母本杂交ꎬ采用分子标记辅助选择的方法ꎬ鉴定携带基因
型 Rf3rf3 / Rf4rf4 的 F1 杂种株并对其花粉和小穗育性进行考察ꎮ 结果表明:(1)24 个 SSSLs和 HJX74 对
于 2 个不育系的恢复力存在着显著的不同ꎬ携带 Rf3 基因座位的 SSSLs恢复力均低于携带 Rf4 基因座位
的 SSSLsꎬ并且低于对照品种 HJX74ꎻSSSL S6 对于 WA ̄CMS的花粉小穗育性分别为 7 2%和 15 5% ꎬ对
于 Y ̄CMS 的花粉小穗育性分别为 1 3%和 12 4% ꎬ表现出最弱的恢复力ꎻSSSLs S14 ̄S18 和 SSSL S20 对
这 2 种不育系的平均花粉和小穗育性分别高于 70%和 85% ꎬ表现出较强的恢复力ꎮ (2)在恢复基因
Rf3 和 Rf4 基因座分别鉴定出 3 个和 4 个等位基因ꎬ由弱到强依次命名为 Rf3  ̄1、Rf3  ̄2、Rf3  ̄3 和 Rf4 ̄1、
Rf4 ̄2、Rf4 ̄3、、Rf4 ̄4ꎬ受体亲本 HJX74 的基因型为 Rf3Rf3 / Rf4Rf4ꎬ其 Rf3 的恢复性强于 Rf4 恢复性ꎮ (3)
在 HJX74 的遗传背景下ꎬWA型不育细胞质的可恢复性好于 Y型不育细胞质ꎮ
关键词:水稻ꎻ单片段代换系ꎻ质核互作雄性不育系ꎻ恢复力
水稻不育系(Cytoplasmic male sterilityꎬCMS)是由
于线粒体 DNA重排而引起非正常的读码框(ORF)所
致ꎬ 其育性恢复要靠细胞核基因组中恢复基因(Rf)的
作用来实现[1 - 2]ꎮ 水稻胞质不育恢复基因的分析ꎬ 有
利于杂交水稻恢复系的选育ꎮ 国内外学者针对野败型
的主效恢复基因进行了大量的分子标记定位研究ꎬ 多
数以恢复系 IR24 和明恢 63 为材料ꎮ Zhang 等[3]利用
第 7 和第 10 染色体上的 RFLP 标记分析几个带有不
同恢复基因的珍汕 97A 的近等基因系ꎬ将 Rf3 定位于
分子标记 RG532 与 RG140、RG458 之间ꎮ 张群宇等[4]
为了用分子标记准确定位野败型水稻细胞质雄性不育
恢复基因 Rf4ꎬ将日本水稻基因组项目构建的水稻遗
传连锁图谱第 10 染色体分子遗传图上的分子标记
R1877 和 G2155 之间对应区域 YAC 物理图上的 6 个
YAC克隆进行了亚克隆ꎬ并把 Rf4 座位定位于第 10 染
色体的特定位置:亚克隆 Y328 距离 Rf4 0 9cMꎬ亚克
隆 Y1210 距离 Rf4 3 2 cMꎮ Tan等[5]和景润春等[6]也
都在第 10 染色体长臂定位到了 IR24 中的野败型主效
恢复基因ꎬ 其位置和效应都类似 Rf4ꎬ 同时 Tan 等[5]
还在第 10 染色体的另一个位置探测到一个效应较弱
的育性恢复 QTLꎬ 该基因与 RFLP 标记 R2309 和
RG257 连锁ꎮ Yao 等[7]和何光华等[8]分别用珍汕 97A
×明恢 63 的 F2 极端育性群体ꎬ 采用集团分离分析法
对明恢 63 的野败型恢复基因进行定位ꎬ 结果都定位
到两对主效恢复基因ꎬ 其中位于第 10 染色体长臂中
部的基因表现主效恢复作用ꎬ 而位于第 1 染色体的基
因恢复效应较弱ꎮ Sheeba 等[9]利用 IR58025A 和恢复
系 KMR3RF2 群体将恢复基因 Rf4 定位于第 10 染色体
上ꎬ与 SSR 标记 RM6100 的遗传距离为 1 2cMꎮ
Ngangkham 等[10] 利用野败型 不 育 系 Pusa6A 和
057
6 期 水稻 CMS ̄WA和 CMS ̄Y育性恢复基因 Rf3 和 Rf4 的等位性分化
BasmatiPRR78 的 F2 群体ꎬ将恢复基因 Rf4 定位于第
10 染色体上ꎬ与 SSR 标记 RM6373 和 RM6100 的遗传
距离分别为 0 3cM和 0 5cMꎬ这两个标记的物理距离
为 163 6Kbꎮ
遗传研究还认为各种类型 CMS 的育性恢复还或
多或少地受到微效基因的影响ꎬ 一些学者应用 QTL分
析ꎬ 也定位到一些野败型微效恢复基因ꎮ 庄杰云
等[11]先建立珍汕 97B 与密阳 46 配组的 F6 重组自交
系群体ꎬ 然后与珍汕 97A 测交ꎬ 经 QTL 分析ꎬ在 227
个株系的测交群体中检测到控制野败型育性恢复的主
效 QTL ( qRf ̄10)1 个和微效 QTL ( qRf ̄1、 qRf ̄7、qRf ̄
11) 3 个ꎬ 主效 QTL位于第 10 染色体ꎬ 3 个微效 QTL
分别位于第 1、7、11 染色体上ꎮ 在此基础上ꎬ李广贤
等[12]将[珍汕 97A / (珍汕 97B /密阳 46) F6]的测交定
位群体扩大为 704 个株系ꎬ 将主效 QTL 位于第 10 染
色体长臂中部ꎬ 另外 3 个微效 QTL分别位于第 1 染色
体短臂、第 7 染色体长臂近着丝粒处和第 11 染色体短
臂近着丝粒处ꎮ
本研究以华南农业大学植物分子育种实验室用不
同来源的 24 个水稻品种(14 个籼稻品种和 10 个粳稻
品种)为供体ꎬ优良籼稻品种华粳籼 74(HJX74)为受
体ꎬ通过多轮回交、自交和分子标记辅助选择 (marker ̄
assisted selectionꎬMAS)ꎬ构建了含有 1 123 个单片段代
换系(Single segment substitution lineꎬSSSL)的水稻单
片段代换系文库[13 - 14]ꎮ 本研究利用 8 个携带有 Rf3
基因座位ꎬ16 个携带有 Rf4 基因座位的染色体 SSSLs
和 HJX74 为父本ꎬ野败型(WA)细胞质雄性不育系珍
汕 97A(ZsA)和 Y型(Y)细胞质雄性不育系 Y 华农 A
(HnA)为母本杂交ꎬ采用 MAS 鉴定 F1 杂种株并对其
花粉和小穗育性进行考察ꎬ旨在检测 Rf3 和 Rf4 座位
等位性分化基因的遗传效应和 WA ̄CMS 和 Y ̄CMS 的
遗传关系ꎮ
1 材料与方法
1 1 供试材料
试验材料为 24 个 SSSLsꎬ籼稻品种华粳籼 74ꎬ野
败型不育系 ZsA和 Y型不育系 HnA(表 1)ꎬ所有试验
材料及其杂交后代均种植于华南农业大学教学试验
场ꎮ
1 2 DNA的抽提
试验材料及其杂交后代的 DNA 抽提参照 Murray
和 Thompson[19]的 CTAB方法ꎬ 并略作修改ꎮ
1 3 微卫星标记分析
微卫星标记的检测方法按 Li 等[20]的方法进行ꎮ
F1 杂种植株的鉴定:利用与恢复基因 Rf3 和 Rf4 两侧
紧密连锁 ( < 5cM)的微卫星标记 (SSR)鉴定携带基
因型 Rf3rf3 / Rf4rf4 的杂种株 (表 2)ꎬ并对其花粉和小
穗育性进行考察ꎮ
1 4 花粉和小穗育性观察
花粉育性观察:于每天 7:00 ~ 10:00 或 16:00 之
后ꎬ从目标植株上选取已抽出约 1 / 3 的主穗或较大分
蘖穗ꎬ取中上部枝梗上当天或次日要开放的 2 ~ 5 朵顶
端颖花ꎬ置于 FAA 固定液中固定并保存ꎬ各组合均取
20 株ꎬ1% I2  ̄KI溶液染色ꎬ在 10 × 16 倍显微镜下观察ꎬ
每朵颖花观察 3 个视野ꎮ 根据花粉粒的形状、大小和
着色反应ꎬ将花粉分为可育花粉和败育花粉两种类型ꎻ
小穗育性观察:在成熟期考查目标单株的小穗育性
(小穗育性为实粒数占总粒数的百分率)ꎬ参照张桂权
和卢永根[22]方法进行ꎮ
1 5 数据处理与分析
采用 Excel 及 SPSS13 0 统计软件对数据进行统
计分析ꎮ 计算方差及多重比较时ꎬ先将各组合花粉和
小穗育性的百分率作反正弦(sin - 1√%)转换ꎮ
2 结果与分析
2 1 SSSLs 在 Rf3 恢复基因座的等位性分化
8 个携带有 Rf3 基因座位和 HJX74 为父本ꎬZsA
和 HnA为母本杂交ꎬ采用 MAS 鉴定 F1 杂种株并对其
花粉和小穗育性进行考察(表 3)ꎮ 通过对 F1 杂种株
花粉和小穗育性的多重比较发现ꎬSSSL S1 和 SSSL S2
表现出 4 3% (14 0% )和 5 8% (16 1% )花粉(小穗)
育性ꎬ平均为 5 1%和 15 1% ꎬ这两个 SSSLs具有相似
的恢复力水平而被划为第一类ꎬ在 Rf3 基因座携带
Rf3 ̄1 等位基因ꎬ其恢复基因来源于伊朗的粳稻品种
Khazarꎮ SSSL S3 和 SSSL S4 表现出 10 4%和 25 9%
平均花粉和小穗育性ꎬ被划分为第二类ꎬ携带 Rf3 ̄2 等
位基因ꎬ其恢复基因来源于巴基斯坦的籼稻品种
Basmati370ꎮ SSSL S5 ̄SSSL S8 拥有 47 5%和 63 8%
平均花粉和小穗育性ꎬ在恢复力水平上而被划分为第
三类ꎬ携带 Rf3 ̄3 等位基因ꎬ其恢复基因来源于尼日利
亚的粳稻品种 IRAT261ꎮ HJX74 具有 57 1% 和
77 8%花粉和小穗育性ꎬ 其基因型为 Rf3Rf3 / Rf4Rf4ꎮ
2 2 SSSLs在 Rf4 恢复基因座的等位性分化
16 个携带 Rf4 基因座位的 SSSLs 和 HJX74 分别
与 ZsA和 HnA杂交ꎬ通过对 F1 杂种株花粉和小穗育
157
核 农 学 报 27 卷
表 1 供试的单片段代换系和华粳籼 74
Table 1 SSSLs(single segment substitution lines)and HJX74 of rice in the experiment
单片段代换系
SSSL
编号
Code
染色体
Chromosome
代换片段恢复
基因座
Rf loci on
substitution
segments
供体
Donor
类型
Ecotype
来源
Origin
W22 ̄04 ̄10 ̄04 ̄03 ̄02 S1 1 Rf3 Khazar 粳稻 伊朗
W22 ̄04 ̄10 ̄04 ̄02 ̄04 ̄01 S2
W11 ̄15 ̄08 ̄03 ̄01 S3 Basmati370 籼稻 巴基斯坦
W11 ̄15 ̄08 ̄01 ̄08 S4
W18 ̄18 ̄08 ̄29 S5 IRAT261 粳稻 尼日利亚
W18 ̄18 ̄08 ̄05 ̄07 S6
W18 ̄18 ̄07 ̄06 ̄18 S7
W18 ̄18 ̄08 ̄04 S8
HJX74 W0 1ꎬ10 Rf3ꎬ Rf4 籼稻 中国
W14 ̄16 ̄03 ̄13 ̄02 S9 10 Rf4 联鉴 33 籼稻 中国
W14 ̄18 ̄02 ̄04 ̄01 S10
W02 ̄08 ̄03 ̄01 ̄02 S11 Amol 3(Sona) 籼稻 伊朗
W02 ̄08 ̄03 ̄01 ̄11 ̄03 S12
W24 ̄42 ̄46 ̄04 ̄03 ̄10 S13 Star bonnet 99 粳稻 美国
W24 ̄42 ̄46 ̄08 ̄01 ̄06 S14
W24 ̄42 ̄46 ̄08 ̄08 ̄03 ̄06 ̄04 ̄07 S15
W11 ̄09 ̄02 ̄03 ̄08 ̄08 ̄01 S16 Basmati370 籼稻 巴基斯坦
W11 ̄09 ̄02 ̄07 ̄02 ̄03 ̄01 S17
W20 ̄10 ̄01 ̄02 ̄02 S18 成龙水晶米 籼稻 中国
W20 ̄02 ̄04 ̄07 S19
W20 ̄19 ̄01 ̄10 S20
W23 ̄07 ̄06 ̄08 ̄02 ̄04 S21 Lemont 粳稻 美国
W23 ̄07 ̄06 ̄08 ̄07 S22
W23 ̄19 ̄06 ̄06 ̄11 S23
W23 ̄07 ̄06 ̄01 ̄09 S24
性的多重比较发现(表 4)ꎬSSSL S9 和 SSSL S10 表现
出 33 9%和 50 7%平均花粉和小穗育性ꎬ 在恢复力
水平被划分为第一类ꎬ在 Rf4 基因座携带 Rf4 ̄1 等位基
因ꎬ其恢复基因来源于中国的籼稻品种联鉴 33ꎮ SSSL
S11 和 SSSL S12 表现出与 HJX74 相似的恢复力ꎬ具有
58 6%和 81 4%平均花粉和小穗育性被划分为第二
类ꎬ携带有 Rf4 ̄2 等位基因ꎬ其恢复基因来源于伊朗的
籼稻品种 Amol3(Sona)ꎮ SSSL S13ꎬSSSL S14 和 SSSL
S15 表现出 64 1%和 88 1%平均花粉和小穗育性被
划分为第三类恢复力水平ꎬ携带 Rf4 ̄3 等位基因ꎬ其恢
复基因来源于美国的粳稻品种 Starbonnet99ꎮ SSSL
S16  ̄ SSSL S24 表现出 71 2%和 88 0%平均花粉和小
穗育性而被划分为第四类ꎬ在 Rf4 基因座位上携带
Rf4 ̄4 等位基因ꎬ其恢复基因来源于巴基斯坦的籼稻品
种 Basmati370、中国的籼稻品种成龙水晶米和美国的
粳稻品种 Lemontꎮ
可见ꎬ在 HJX74 携带 Rf4 等位基因背景下ꎬRf3 基
因座分化为 3 个等位基因ꎬ恢复力由弱到强依次为
Rf3 ̄1ꎬ Rf3 ̄2 和 Rf3 ̄3ꎻ同样ꎬ在 HJX74 携带 Rf3 恢复基
因背景下ꎬRf4 基因座分化为 4 个等位基因ꎬ恢复力由
弱到强依次为 Rf4 ̄1ꎬ Rf4 ̄2ꎬ Rf4 ̄3 和 Rf4 ̄4ꎮ 图 1 花粉
粒的 1% I2  ̄KI溶液染色也揭示了 Rf3 和 Rf4 基因座位
由弱到强的等位基因分化特征ꎮ
257
6 期 水稻 CMS ̄WA和 CMS ̄Y育性恢复基因 Rf3 和 Rf4 的等位性分化
表 2 用于恢复基因 Rf3 和 Rf4 检测的 SSR引物
Table 2 Primer sequences of the SSR markers for the Rf3 and Rf4 genes detection
编号
Code
标记
Marker
连锁基因
LinkedRf gene
染色体
Chromosome
位置
Position / cM
引物序列
Primer sequence (5′ ̄3′)
参考文献
Reference
1 RM220 Rf3 1 24 7 F: ggaaggtaactgtttccaac McCouch等[21]
R: gaaatgcttcccacatgtct
2 PSM348 ̄Rf3 § 28 9 F: gatgaggttaggttggtgcc
R: gtagaatcaactcgagcggc
3 PSM354 30 5 F: acaagctaaggtagtgtccatg
R: cattttacctcaggctcttca
4 PSM25599 Rf4 10 49 5 F:cctgcagtactcgcggaagagg
R: ggacgaacaccagtaggatctcagg
5 RM304 ̄Rf4 53 5 F: gatagggagctgaaggagatg McCouch等[21]
R: tcaaaccggcacatataagac
6 RM6100 56 5 F: tcctctaccagtaccgcacc McCouch等[21]
R: gctggatcacagatcattgc
注: § PSM 引物由华南农业大学植物分子育种重点实验室设计ꎮ
Note: § PSM primers were previous designed by the State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro ̄bioresourcesꎬ South China
Agricultural University.
表 3 恢复基因 Rf3 的等位性分化
Table 3 Allelic differentiations of the Rf3 loci / %
等位基因
Alleles
单片段代换系
SSSLs
F1 杂种株在 2006 年至 2007 年晚季的花粉、小穗育性
Average pollen fertility and seed setting of F1 plants in the late season of 2006 and 2007
ZsA / SSSLs HnA / SSSLs Average
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
Rf3 ̄1 S1 7 2 ± 1 6a 15 5 ± 0 8a 1 3 ± 0 6a 12 4 ± 0 6a 4 3 14 0
S2 9 9 ± 1 6a 18 8 ± 1 4a 1 7 ± 0 5a 13 3 ± 0 8a 5 8 16 1
Average 8 6 17 2 1 5 12 9 5 1 15 1
Rf3 ̄2 S3 18 4 ± 2 9b 33 6 ± 1 6b 1 3 ± 0 3a 17 4 ± 0 9b 9 9 25 5
S4 19 4 ± 2 8b 34 0 ± 2 1b 2 2 ± 0 6a 18 4 ± 1 2b 10 8 26 2
Average 18 9 33 8 1 8 17 9 10 4 25 9
Rf3 ̄3 S5 56 0 ± 1 1c 72 7 ± 1 0c 38 6 ± 1 2b 54 4 ± 1 2c 47 3 63 6
S6 56 1 ± 2 8c 73 2 ± 1 9c 38 3 ± 2 0b 55 7 ± 1 3c 47 4 64 5
S7 56 8 ± 1 4c 73 7 ± 0 9c 38 4 ± 1 7b 53 5 ± 1 7c 47 6 63 6
S8 57 1 ± 1 7c 72 9 ± 1 0c 38 2 ± 2 2b 54 9 ± 1 4c 47 7 63 9
Average 56 5 73 0 38 4 54 6 47 5 63 8
HJX74(CK) 64 3 ± 1 9b 81 0 ± 1 4b 49 8 ± 0 9b 74 5 ± 1 5a 57 1 77 8
注:表中小写字母表示 0 05 水平差异ꎬ下同ꎮ
Note:Small letters in the table show significant difference at 0 05 level. The same as below.
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核 农 学 报 27 卷
表 4 恢复基因 Rf4 的等位性分化
Table 4 Allelic differentiations of the Rf4 loci / %
等位基因
Alleles
单片段代换系
SSSLs
F1 杂种株在 2006 年至 2007 年晚季的花粉、小穗育性
Average pollen fertility and seed setting of F1 plants in the late season of 2006 and 2007
ZsA / SSSLs HnA / SSSLs Average
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
Rf4 ̄1 S9 40. 1 ± 1. 5a 48. 5 ± 1. 0a 23. 5 ± 0. 6a 49. 3 ± 1. 0a 31. 8 48. 9
S10 43. 8 ± 0. 3a 51. 1 ± 1. 2a 27. 8 ± 2. 1a 53. 7 ± 1. 1a 35. 8 52. 4
average 42. 0 49. 8 25. 7 51. 5 33. 9 50. 7
Rf4 ̄2 HJX74 (CK) 64. 3 ± 1. 9b 81. 0 ± 1. 4b 49. 8 ± 0. 9b 74. 5 ± 1. 5a 57. 1 77. 8
S11 65. 2 ± 0. 9b 81. 3 ± 0. 7b 53. 4 ± 1. 6b 79. 8 ± 0. 8b 59. 3 80. 6
S12 64. 7 ± 1. 4b 82. 1 ± 0. 7b 52. 4 ± 1. 9b 80. 6 ± 0. 8b 58. 6 81. 4
Average 64. 7 81. 5 49. 9 75 57. 3 78. 2
Rf4 ̄3 S13 69. 3 ± 1. 5c 86. 9 ± 1. 1cd 58. 7 ± 1. 8c 90. 3 ± 0. 7cde 64 88. 6
S14 70. 2 ± 2. 6c 86. 5 ± 0. 7c 58. 3 ± 1. 3c 89. 9 ± 0. 7cde 64. 3 88. 2
S15 69. 6 ± 1. 8c 86. 3 ± 0. 7c 58. 5 ± 1. 5c 88. 8 ± 0. 5cde 64. 1 87. 6
Average 69. 7 86. 6 58. 5 89. 7 64. 1 88. 1
Rf4 ̄4 S16 77. 8 ± 1. 3d 90. 9 ± 0. 9d 67. 5 ± 2. 0def 87. 6 ± 1. 0c 72. 7 89. 3
S17 77. 6 ± 1. 5d 92. 0 ± 0. 6d 66. 1 ± 1. 7def 88. 1 ± 0. 8cd 71. 9 90. 1
S18 76. 3 ± 2. 4d 88. 5 ± 0. 8cd 68. 8 ± 0. 8f 93. 1 ± 0. 4e 72. 6 90. 8
S19 76. 1 ± 1. 6d 88. 8 ± 0. 7cd 67. 4 ± 1. 3def 92. 2 ± 0. 4de 71. 8 90. 5
S20 75. 4 ± 2. 7d 88. 7 ± 0. 6cd 68. 4 ± 1. 4ef 91. 6 ± 0. 7cde 71. 9 90. 2
S21 76. 8 ± 1. 5d 89. 0 ± 0. 7cd 64. 8 ± 1. 1def 81. 7 ± 1. 2b 70. 8 85. 4
S22 76. 0 ± 2. 7d 89. 3 ± 1. 3cd 63. 8 ± 1. 6d 81. 3 ± 1. 2b 69. 9 85. 3
S23 76. 0 ± 1. 6d 90. 5 ± 1. 0cd 63. 6 ± 1. 8d 80. 0 ± 0. 8b 69. 8 85. 3
S24 75. 6 ± 2. 1d 89. 8 ± 0. 7cd 64. 0 ± 1. 7de 80. 8 ± 0. 9b 69. 8 85. 3
Average 76. 4 89. 7 66. 0 86. 3 71. 2 88. 0
2 3 Rf3 和 Rf4 等位基因的遗传效应
在单片段代换系中ꎬ背景亲本 HJX74 仅在一个位
点是外来的ꎬ另外一个位点仍为 HJX74 的恢复基因ꎬ
每个单片段代换系都是两个恢复基因ꎮ 由表 4 可以看
出ꎬHJX74 携带的恢复基因 Rf3 单独存在时对花粉育
性的恢复效应至少为 34% ꎮ 因为 SSSL S9 和 SSSL
S10 只是处于这个恢复力水平ꎬ即携带没有恢复能力
或者为隐性的恢复基因ꎬ对花粉育性的恢复效应为 0ꎮ
由于加性效应ꎬHJX74 携带的恢复基因 Rf4 单独存在
时对花粉育性的恢复效应至少为 5% (表 3)ꎮ 因此ꎬ
在 HJX74 恢复基因 Rf4 背景下ꎬRf3 ̄1ꎬRf3 ̄2 和 Rf3 ̄3
的遗传效应分别为 0ꎬ5% 和 42% ꎻ在 HJX74 恢复基因
Rf3 遗传背景下ꎬRf4 ̄1ꎬRf4 ̄2ꎬRf4 ̄3 和 Rf4 ̄4 的遗传效
应分别为 0ꎬ23% ꎬ30% 和 37% ꎮ
2 4 WA ̄CMS和 Y ̄CMS遗传效应比较
24 个 SSSLs 和 HJX74 与不育系 ZsA 和 HnA 杂
交ꎬF1 杂种植株的花粉和小穗育性的平均值对于不育
系 ZsA分别为 50 2%和 64 1% (表 5)ꎬ而对于不育系
HnA分别为 36 5%和 57 8% ꎬ表现出 WA ̄CMS 的可
恢复性好于 Y ̄CMSꎮ 携带 Rf3 基因座的 SSSLs 和
HJX74 显示出 30 0%和 45 7%的花粉和小穗育性ꎬ
而携带 Rf4 基因座的 SSSLs 和 HJX74 显示出 56 6%
和 76 3%的花粉和小穗育性ꎬ表现出携带 Rf3 基因座
位的 SSSLs恢复力低于携带 Rf4 基因座位的 SSSLs 恢
复力ꎮ
457
6 期 水稻 CMS ̄WA和 CMS ̄Y育性恢复基因 Rf3 和 Rf4 的等位性分化
注:A:HJX74(Rf3Rf3 / Rf4Rf4)ꎻB:携带基因型 Rf3 ̄3Rf3 ̄3 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2 植株ꎻ C:携带基因型 Rf3 ̄2Rf3 ̄2 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2 植株ꎻ D 携带基因型 Rf3 ̄
1Rf3 ̄1 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2 植株ꎻ E:携带基因型 Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄4Rf4 ̄4 植株ꎻ F:携带基因型 Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄3Rf4 ̄3 植株ꎻG:携带基因型 Rf3 ̄4Rf3 ̄4 /
Rf4 ̄2Rf4 ̄2 植株ꎻ H:携带基因型 Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄1Rf4 ̄1 植株ꎮ
Explanation:A:HJX74 (Rf3Rf3 / Rf4Rf4)ꎻ B:A ̄lines / SSSLs (Rf3 ̄3Rf3 ̄3 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2)ꎻ C:A ̄lines / SSSLs (Rf3 ̄2Rf3 ̄2 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2)ꎻ D: A ̄lines /
SSSLs (Rf3 ̄1Rf3 ̄1 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2)ꎻ E:A ̄lines / SSSLs (Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄4Rf4 ̄4)ꎻ F:A ̄lines / SSSLs (Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄3Rf4 ̄3)ꎻ G:A ̄lines / SSSLs
(Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄2Rf4 ̄2)ꎻ H:A ̄lines / SSSLs (Rf3 ̄4Rf3 ̄4 / Rf4 ̄1Rf4 ̄1) .
图 1 HJX74 和 F1 杂种植株花粉粒 I2 ̄KI染色
Fig. 1 I2 ̄KI stainability of pollen grains of HJX74 and the F1 plants (A ̄lines / SSSLs) with the different Rf genes
表 5 WA ̄CMS 和 Y ̄CMS 可恢复性比较
Table 5 Restorability comparison of WA ̄CMS and Y ̄CMS / %
组合
Cross
携带 Rf3 基因座的单片段系
SSSL with Rf3 locus
携带 Rf4 基因座的单片段系
SSSL with Rf4 locus
平均
Average
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed set
percent
花粉育性
Pollen
fertility
小穗育性
Seed Set
percent
ZA / SSSLꎬ HJX74 37 1 51 3 63 2 76 9 50 2 64 1
HA / SSSLꎬ HJX74 22 9 40 0 50 0 75 6 36 5 57 8
平均 Average 30 0 45 7 56 6 76 3 43 4 61 0
3 讨论
在农作物中ꎬ以分子连锁图谱为基础的数量性状
基因(QTL)研究已全面展开ꎬ并由此促进了 MAS 高产
优质育种的实施[23 - 24]ꎮ 由于不同遗传背景的影响和
QTL之间的相互干扰ꎬ不构建遗传背景一致的群体ꎬ是
很难进行 QTL的准确评价的[25]ꎮ 单片段代换系只有
代换片段与受体亲本不同ꎬ其它遗传背景与受体亲本
完全一致ꎬ对代换区段中的 QTL进行分析时遗传背景
干扰很小ꎬ有利于 QTL的分析ꎮ 不少学者利用单片段
代换系材料对许多 QTL进行了鉴定和精细定位ꎬ并克
隆了一些重要性状的 QTLꎬ因此ꎬ单片段代换系是进行
基因分析ꎬ特别是 QTL分析的理想材料[15 - 16ꎬ18]ꎮ Teng
557
核 农 学 报 27 卷
等[17]研究表明ꎬ在 HJX74 背景下ꎬ水稻稲米品质基因
Wx基因存在 5 个等位基因变异ꎬ即 wxꎬ Wx ̄tꎬ Wx ̄g1ꎬ
Wx ̄g2 和 Wx ̄g3ꎮ 王铁固等[26]研究认为玉米雄穗主轴
长和雄穗分支数表现为多基因遗传或以多基因遗传为
主ꎮ 本研究发现ꎬ在 HJX74 背景下ꎬ恢复基因 Rf3 和
Rf4 基因座分别存在 3 个和 4 个等位基因变异ꎬ由弱
到强依次命名为 Rf3 ̄1、Rf3 ̄2、Rf3 ̄3 和 Rf4 ̄1、Rf4 ̄2、
Rf4 ̄3、、Rf4 ̄4ꎮ HJX74 的基因型为 Rf3Rf3 / Rf4Rf4ꎬRf3
和 Rf4 单独存在时遗传效应分别为 34% 和 5% ꎬ而表
3 和表 4 显示 HJX74 具有 57 1%和 77 8%花粉和小
穗育性ꎬ可以推测 HJX74 中ꎬ除了恢复基因 Rf3 和
Rf4ꎬ应该还存在着其它微效恢复基因ꎬ而且对育性起
着恢复性作用ꎮ 采用回交转育的方法ꎬ可以有效地将
这些恢复性不同的基因导入当地推广品种ꎬ培育新品
种或新材料ꎬ用于遗传研究或生产ꎮ
在植物的进化过程中ꎬ细胞质雄性不育和核恢复
基因(Rf)是协同进化的ꎬ对恢复基因(Rf)遗传特性的
研究是选育恢复系的前提ꎮ Luo 等[27]成功克隆了野
败型细胞质雄性不育基因 WA352ꎬ揭示了 WA352 在
野生稻线粒体基因组的起源、雄性不育发生的分子机
理和不同恢复基因对 WA352 的作用方式ꎮ 王文明
等[28]认为ꎬ决定某个不育系能否应用于生产的首要因
素就是该细胞质雄性不育的可恢性ꎬ而不同细胞质来
源的细胞质雄性不育系的可恢性是存在差异的ꎮ 富昊
伟等[29]认为ꎬ矮败型细胞质的可恢性好于野败型细胞
质ꎮ 蔡健等[30]认为ꎬ矮败型细胞质的可恢性好于野败
型细胞质ꎬ而野败型细胞质的可恢性又好于鸡公型
(Y)细胞质ꎮ 本研究结果表明ꎬ在 HJX74 遗传背景
下ꎬWA型不育细胞质的可恢复性好于 Y 型不育细胞
质ꎮ 关于育性恢复基因恢复力大小问题ꎬ有的研究者
认为 Rf4 的效应大于 Rf3 [7ꎬ11ꎬ25]ꎬ也有研究者认为 Rf3
的效应大于 Rf4 [31 - 32]ꎮ 本研究发现ꎬ24 个 SSSLs 和
HJX74 对于 WA ̄CMS和 Y ̄CMS 的恢复力存在着显著
的不同ꎬ携带有 Rf3 基因座位的 SSSLs 恢复力均低于
携带有 Rf4 基因座位的 SSSLsꎬ并且低于对照品种
HJX74ꎮ
本研究鉴定了对于 WA ̄CMS 和 Y ̄CMS 具有不同
恢复力的 SSSLsꎬ为选育 WA ̄CMS 和 Y ̄CMS 的保持系
和恢复系提供了理论依据和育种材料ꎬ也为水稻单片
段代换系拓宽了应用研究领域ꎮ
致谢 华南农业大学张桂权教授对于本试验给予了悉
心指导ꎬ特此感谢!
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Allelic Differentiations of the Rf3 and Rf4 Genes on Fertility Restoration in
Rice with Wild Abortive and Y Type Cytoplasmic Male Sterility
CAI Jian1ꎬ2ꎬ LAN Wei1ꎬ LIAO Qiu ̄ping2ꎬ MA Tong ̄fu1
( 1School of Life Scienceꎬ Fu Yang Teachers Collegeꎬ Fuyangꎬ Anhui 236041ꎻ
2The State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro ̄bioresourcesꎬ
South China Agricultural Universityꎬ Guangzhouꎬ Guangdong 510642)
Abstract:To detect the naturally occurring allelic variation at the fertility restorer (Rf) loci on chromosomes 1 (Rf3)
and 10 (Rf4)ꎬ eight SSSLs carrying Rf3 locusꎬ sixteen SSSLs possessing Rf4 locus and HJX74 were crossed to two GMS
lines ( A ̄lines)ꎬ such as Zhenshan97A ( ZsAꎬ WA) and Y ̄HuanongA (HnAꎬ Y)ꎬ respectivelyꎬ the F1 plantsꎬ
carrying the genotype Rf3rf3 / Rf4rf4ꎬ were selected by marker ̄assisted selectionꎬ and their phenotype for pollen and
spikelet fertility were evaluated. The results were as follows. (1) There were much differences in restoring abilities
among the twenty ̄four SSSLs and HJX74. The restoration abilities of SSSLs carrying Rf3 locus were weaker than that of
SSSLs with Rf4 locus and HJX74. SSSL S6 carrying Rf3 locus exhibited 7 2% (15 5% ) and 1 3% (12 4% ) pollen
(spikelet) fertility of F1 plants and possessed the weakest restoring ability to WA ̄CMS and Y ̄CMS. Out of sixteen
SSSLs with Rf4 locusꎬ high levels of pollen fertility ( > 70% ) and spikelet fertility ( > 85% ) were observed in the
crosses of A ̄lines / SSSLs S14 ̄S18 and SSSL S20ꎬ which showed stronger restorer ability to WA ̄CMS and Y ̄CMS. (2)
Based on the pollen and seed fertility of the F1 hybridsꎬ the Rf3 and Rf4 genes were classified respectively into four
allelesꎬ namely Rf3 ̄1ꎬ Rf3 ̄2ꎬ Rf3 ̄3 and Rf3 ̄4 for Rf3ꎬ and Rf4 ̄1ꎬ Rf4 ̄2ꎬ Rf4 ̄3 and Rf4 ̄4 for Rf4. HJX74 carried the
genotype Rf3Rf3 / Rf4Rf4and showed that the effect of Rf3 was larger than that of Rf4. (3) In inheritance background of
HJX74ꎬ WA ̄CMS was restored more easily than Y ̄CMS.
Key words:Oryza sativa L. ꎻ Single segment substitution linesꎻ Cytoplasmic male sterility lineꎻ Restoring ability
757