全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 012009204
辐射水稻雄性不育性在异源胞质背景的遗传表达
王乃元1 李 毓2 蔡之军1 梁康迳1
(11 福建农林大学作物科学学院 ,福建 福州 350002 ;21 福建农林大学作物遗传育种研究所 ,福建 福州 350002)
摘 要 :60 Coγ射线辐射水稻恢复系获得 4 个隐性单基因不等位雄性不育突变体。用雄性不育
突变株Π可育株杂合体植株作父本 ,与 15 个种质的同核异质代换系 (作母本) ,杂交配组成 60
个组合。结果 F1 代小穗正常可育 ,F2 代分离出数量不等的雄性不育株。未发现雄性不育基因
与异源胞质互作表现完全可育的基因型。
关键词 :水稻 ;雄性不育突变体 ;异源胞质 ;核质互作
GENETIC EXPRESSION OF INDUCED RICE STERILITY UNDER ALIEN2CYTOPLASM
WANG Nai2yuan1 LI Yu2 CAI Zhi2jun1 LIANG Kang2jing1
(1. College of Crop Science , Fujian Agriculture and Forestry University , Fuzhou , Fujian ,350002 ;
2. Institute of Genetics & Crop Breeding , Fujian Agriculture and Forestry University , Fuzhou , Fujian ,350002)
Abstract :Rice restorer lines were treated with 60 Coγ2ray and 4 male sterile mutants obtained with the fertility of
controlled by 4 non2allelic recessive genes , respectively. Sixty combinations were made by using male sterile plantsΠ
fertile plants as male parents , and 15 different cytoplasmic substitution lines of the same cell nucleus as female
parents. The result showed that F1 spikelets were normal and fertile , and different numbers of male sterile plants
were segregated in F2 . Complete fertility genotype was not found among interactions between induced male sterile
genes and alien2cytoplasms.
Key words :rice ;male sterile mutant ; alien2cytoplasm ; nucleus2cytoplasm interaction
收稿日期 :2003209205
作者简介 :王乃元 (1952 - ) ,男 ,浙江仙居人 ,副研究员 ,从事水稻遗传育种和杂种优势利用的研究。E2mail :wangny @sina. com作物雄性不育基因与异源可育胞质合成正常可育的保持系 ,进一步培育成雄性不育系 ,是选育不育系的有效途径。已采用这种育种方法在洋葱[1 ] 、小麦[2 ] 等作物育成不育系。在水稻方面湖南省水稻雄性不育系研究协作组用 C系统雄性不育材料通过“洋葱”公式 (可育ΠΠ不育Π可育)与 23 个品种杂交 ,探索人工合成保持系 ,结果后代未能获得全不育的不育系和全可育的保持系[3 ] 。本研究在前人研究基础上 ,采用辐射诱变方法获得水稻雄性不育材料 ,再通过杂交方法将雄性不育基因导入多个水稻异源细胞质 ,以期探索人工获得保持系的可能性。1 材料和方法111 细胞核供体(简称核供体)制备选用水稻恢复系测 48、测 49、测 64 和明恢 77 干种子各 300g ,经福建农业科学院稻麦研究所钴源辐照中心60 Coγ射线 300Gy 诱变 ,M2 代获得 7 个雄性不育突变体 ,进一步通过双列杂交测验获得 4 个不等位单基因隐性雄性不育突变体[4 ] 。用这 4 个雄性不育突变体分别与各自同型可育株杂交 ,获得 4 个杂结合 F1 组合。这些组合自交正常可育 ,但都携带单基因隐性遗传的雄性不育基因 ,作为核供体亲本 ,它
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们分别为测 64msΠ测 64、明恢 77ms21Π明恢 77、明恢 77ms22Π明恢 77 和测 48msΠ测 48。
112 细胞质供体(简称质供体)制备
细胞质供体来源于 5 个稻种的 15 个种质 ,分别从不同单位引进 (见表 1) 。共用杂交父本早恢 89 是
作者从 IR50 与 IR24 杂交 1 代 ,回交 2 代的组合后代选育而成的野败型恢复系 ,与珍汕 97A 配组成杂交
稻汕优 89 ,已通过审定并在生产上推广[5 ] 。
表 1 细胞质供体亲本和来源
Table 1 Cytoplasmic donors and sources
种名 species 亲本 parents 供种单位 seed sources
O1 nivara Acc 101466 国际水稻研究所 IRRI
O1sativa Acc 101831 国际水稻研究所 IRRI
O1 glaberrima Acc 101844 国际水稻研究所 IRRI
O1sativa Ⅱ232A Indonesia 6 湖南杂交稻中心 Hunan hybrid ride Research center
O1sativa D297A Dissi 52Π37 四川农业大学 Sichuan Agricultural University
O1sativa 冈 46 A Gambiaka kokum 四川农业大学 Sichuan Agricultural University
O1 rufipogon Griffith 丛广 41A Red2awned wild rice 广东农科院 Guang Dong Academy of Agriculture Sciences
O1 rufipogon Griffith 海南野生稻 Hainan wild rice 福建三明市农科所 Sanming Institute of Agricultuer Sciences , Fujian Province
O1 rufipogon Griffith 云南野生稻 Yuannan wild rice 云南农业大学 Yunnan Agricultural University
O1 rufipogon Griffith 玉林野生稻 Yulin wild rice 广西农业大学 Guangxi Agricultural University
O1 rufipogon Griffith V20A Wild abortive rice 福建农林大学 Fujian Agriculture and Forestry University
O1 barthii O1 barthii 福建农林大学 Fujian Agricuture and Forestry University
O1sativa Gannal 福建农林大学 Fujian Agricuture and Forestry University
O1sativa Boak 福建农林大学 Fujian Agricuture and Forestry University
O1sativa 印度籼稻 T141India Indica Rice T141 福建农林大学 Fujian Agricuture and Forestry University
将 15 个不同来源的亲本作母本与共用父本早恢 89 杂交 ,并连续回交 4 次 ,育成 15 个具有异源细
胞质、农艺性状与早恢 89 相似、自交可育的同核异质代换系作质供体 ,备用。
113 质供体与核供体杂交及后代观察
种植 15 个质供体作母本。抽穗期间 ,选穗用 45 ℃温水处理 4～5min 杀雄 ,剪去已开过的颖花和未
成熟的颖花 ,留下当天成熟盛开的颖花。然后用 4 个核供体 (作父本) 授粉杂交 ,配组半双列杂交组合
60 个。F1 代每个组合种植 20 株 ,抽穗成熟时考察各组合小穗自交结实率 ,同时分单株收获种子。F2 代
每组合种植 10 个株系 ,每个株系 18 株 ,共 180 株左右群体。齐穗至成熟阶段依据植株形态、花粉育性
和自交结实率等性状逐株鉴别 ,综合考察后划分为可育株和不育株。数据经卡平方测验适合度 ,分析雄
性不育基因在异源胞质背景下的遗传表现 ,考察不同来源细胞质的育性基因型。
2 结果与分析
211 质供体与核供体杂交 F1 育性表现
15 个同核异质代换系与 4 个雄性不育基因核供体杂交 ,F1 代穗颈伸出正常 ,花药能正常散粉 ,自然
结实率 3913 %至 8919 % ,平均 7517 %。以细胞核因素比较 ,测 48ms Π测 48 结实率 7113 %最低 ;明恢
77ms21 Π明恢 77 结实率 7819 %最高 ,其余组合介于二者之间。以胞质因素比较 ,结实率最低的是
O1 barthii 胞质 ,结实率 4511 % ,最高的是云南野生稻和 T141 胞质 ,结实率达 8114 %(表 2) 。
212 质供体与核供体杂交 F2 育性分离表现
从质供体与核供体杂交 F1 植株上收获自交种子 ,种植 F2 代植株。抽穗后根据田间植株是否包颈、
花药形状和大小 ,花药开裂散粉状况以及田间自然结实等综合考察 ,可以明显地划分为两个类型。一类
是穗伸出正常 ,花药饱满、鲜黄、正常开裂散粉 ,结实率 40 %以上的可育株。另一类是明显包颈 ,花药瘦
小、水浸状、不能开花散粉、结实率 20 %以下的雄性不育株。无中间类型植株。各组合的可育株和不育
株调查结果列入表 3 ,可以看出以下结果 :从核供体效应分析 ,明恢 77ms22 和测 48 的不育性在各个质供
体中的不育株分离比例符合 7∶1 分离比率 ,而测 64ms 和明恢 77ms21 后代不符合 7∶1 的分离比率 ,不育
株明显偏少。从质供体效应分析 ,在 Ⅱ232A、云南野生稻、玉林野生稻、V20A 和 Gannal 等 5 个胞质背景
下 ,4 个核供体的可育与不育的比例为 7∶1。在 O1 nivara Acc101466、O1sativa Acc101831、O1 glaberrima 、
D297A、冈 46A、丛广 41A、海南野生稻和 O1 barthii 等 8 个质供体背景下 ,雄性不育株分离比例偏离 7∶1 ,
01 核 农 学 报 19 卷
表 2 质供体Π核供体 F1 育性表现
Table 2 F1 fertility of cytoplasmic donors Πnucleus donors
♀质供体 cytoplasmic donors ♂核供体 nucleus donors
母本 3 female parents 测 64msΠ测 64Ce64msΠCe64 明恢 77ms21Π明恢 77Minghui77ms21Π
Minghui77
明恢 77ms22Π明恢 77
Minghui77ms22Π
Minghui77
测 48ms21Π测 48
Ce48ms21ΠCe48 平均值average
Acc 101466 7916 ± 712 8613 ± 715 213 ±1117 6414 ±1117 7517 ± 914
Acc 101831 8019 ±1014 7819 ± 812 8512 ± 711 7412 ± 712 7918 ± 416
Acc 101844 8514 ± 814 8413 ±1112 7511 ± 618 7311 ±1212 7915 ± 613
Ⅱ232A Indonesia 6 7012 ±1114 7517 ±1619 8316 ± 613 6917 ±1514 7418 ± 615
D297AΠDissi52Π37 7914 ± 916 7317 ±1013 7619 ± 717 7511 ±1015 7613 ± 215
冈 46A Gambiaka kokum 7216 ± 715 8317 ± 717 7719 ± 719 7712 ± 718 7719 ± 416
丛广 41A Red2awned wild 7419 ±1019 6816 ±1312 7413 ± 614 6417 ± 616 7016 ± 419
海南野生稻 Hainan wild 7611 ± 717 8616 ± 610 7515 ± 818 7014 ± 818 7712 ± 618
云南野生稻 Yunnan wild 8118 ± 615 8719 ± 318 8113 ± 717 7414 ±1113 8114 ± 515
玉林野生稻 Yulin wild 7515 ±1217 8118 ±1210 8417 ± 818 8110 ± 617 8018 ± 318
V20A Wild abortive 8110 ±1113 7915 ±1210 7810 ± 817 7311 ± 913 7719 ± 314
O1 barthii 5118 ±1119 3919 ± 817 3919 ± 619 4816 ± 919 4511 ± 611
Gannal 7817 ± 716 7916 ± 417 8315 ± 711 7118 ± 914 7814 ± 419
Boak 8015 ± 813 8617 ± 812 7715 ±1216 7014 ±1012 7818 ± 618
印度籼稻 Indica rice T141 7910 ±1017 8918 ± 317 7518 ± 817 8019 ± 616 8114 ± 610x ±s 7614 ± 718 7819 ±1212 7611 ±1018 7113 ± 719 7517 ± 819
注 : 3 各个母本与早恢 89 杂交 1 次 ,回交 3 次。
Note : 3 Each female parents and Zaohui 89 intercrossed once ,then backcross 3 times.
表 3 质供体Π核供体 F2 不育株分离表现
Table 3 F2 sterile plants segregation performance of cytoplasmic donors Πnucleus donors
♀质供体 cytoplasmic donors ♂核供体 nucleus donors
母本 female parents 测 64msΠ测 64Ce64msΠCe64 明恢 77ms21Π明恢 77Minghui77ms21Π
Minghui77
明恢 77ms22Π明恢 77
Minghui77ms22Π
Minghui77
测 48ms21Π测 48
Ce48ms21ΠCe48 合计total 7∶1 (FΠS)
F S F S F S F S F S X2 P
Acc101466 180 6 167 13 181 17 170 10 698 46 27114 < 01005
Acc101831 170 10 168 12 165 15 156 24 659 61 10167 < 01005
Acc101844 170 10 168 12 149 13 161 19 648 54 14186 < 01005
Ⅱ232A Indonesia 6 161 19 175 5 157 23 155 43 648 90 01064 019～0175
D297A Dissi52Π37 176 4 168 12 134 14 154 17 632 47 19141 < 01005
冈46A Gambiaka kokum 168 12 131 13 210 6 157 23 666 54 16146 < 01005
丛广41ARed2awned wild 164 16 162 6 172 8 175 5 673 35 36196 < 01005
海南野生稻 Hainan wild 160 20 198 18 163 17 169 11 690 66 9182 < 01005
云南野生稻 Yunnan wild 155 25 170 10 177 10 153 27 655 72 4149 0105～01025
玉林野生稻 Yulin wild 156 24 169 11 145 13 160 20 630 68 4187 0105～01025
V20A Wild abortive 175 5 163 17 127 53 172 18 637 93 0104 019～0175
Gannal 165 15 164 15 137 4 151 20 617 54 12118 < 01005
O1 barthii 166 14 150 12 164 16 145 35 625 77 1151 0125～011
Boak 128 52 176 4 119 55 159 21 582 132 23135 < 01005
印度籼稻 Indica rice T141 157 23 138 42 154 26 129 51 578 142 34133 < 01005
合计 total 2611 275 2657 210 2512 312 2535 355 10315 1152 - -
7∶1 (FΠS) X2 ( P) 231414( P < 01005) 691914( P < 01005) 51442( P = 01025～0101) 01114( P = 01075～015) 63114( P < 01005) - - - -
注 :F 表示可育株 ;S表示不育株。下表同。
Note :F stands for male fertile plants , S stands for male sterile plants. The same as following table.
不育株明显偏少。而在 Boak、T141 等 2 个质供体背景下 ,不育株的分离也偏离了 7∶1 ,不育株偏多。
上述结果可以看出 ,相同核供体基因在不同质供体细胞质背景、以及不同雄性不育核基因在相同细
胞质背景 ,他们的后代大致表现出 3 种类型的不育株分离特征 ,第 1 种是完全符合 7∶1 分离比例 ,第 2
种是不育株比例高于 7∶1 ,第 3 种是不育株比例低于 7∶1。这些结果表明 ,不同的细胞质与不同的雄性
不育核基因之间可能存在相当复杂的遗传关系 ,导致单基因隐性雄性不育基因遗传偏离了孟德尔遗传
11 1 期 辐射水稻雄性不育性在异源胞质背景的遗传表达
模式 ,其原因有待于深入探讨。
213 育性基因型分析
假定用 S 表示细胞质不育基因 ,F 表示细胞质可育基因 ;细胞质跟随母系遗传 ;MS 表示细胞核可育
基因 ,ms 表示细胞核不育基因 ;F 抑制核基因 ms 的表达 ,MS 抑制核基因 ms 和质基因 S 的表达。那么 ,
亲本和杂交后代的基因型和表现型分析如下 :父本雄性不育突变体由辐射后代产生 ,突变体基因型为 S
(msms) [4 ] 。用突变体与同型可育株杂交 ,基因型为 S(MSms) ,减数分裂产生 2 种雄配子 ,基因型为 Ms 和
ms。母本质供体的细胞质来源广泛 ,可能存在 2 种的细胞质基因型 ,既 S 不育型或 F 可育型。因此 ,它
们杂交后代可能会表现出 2 种结果 :第 1 种可能是质供体母本细胞质为 S(雄性不育)基因型。在这个前
提下 ,杂交 F1 代正常可育 ,F2 代分离出雄性不育株 ,可育与不育的理论比例适合 7∶1 (表 4) 。第 2 种可
能是质供体母本细胞质为 F(雄性可育)基因型。在这个前提下 ,杂交 F1 和 F2 代均表现全可育 ,没有分
离出不育株 (表 4) 。这就是本研究期望寻找的可育细胞质基因型 ,用它可以合成保持系 ,还可以进一步
培育成不育系。但是本研究结果没有出现这种表现的基因型。
表 4 母本细胞质 S和 F基因型后代的遗传表现
Table 4 Genetic expression of S & F genotype generation from female parent
世代
generations(F∶S)
细胞质 S基因型 S genotype 细胞质 F 基因型 F genotype
基因型和比例
genotypes and ratios
表现型比例 (F∶S)
phenotypes ratios(F∶S)
基因型和比例
genotypes and ratios
表现型比例
phenotypes ratios(F∶S)
亲本 ♀S (MSMS) × ♂S(MSms) 1∶0 ♀F(MSMS) × ♂S(MSms) 1∶0
parents ↓ ↓
F1 1 S (MSMS) ∶1 S (MSms) 1∶0 1 F(MSMS) ∶1 F(MSms) 1∶0
↓ ↓
F2 5 S (MSMS)∶2 S (MSms)∶1 S (msms) 7∶1 5 F(MSMS)∶2 F(MSms)∶1F(msms) 1∶0
3 讨论
本研究采用 5 个稻种 15 个亲本与 4 个雄性不育核基因杂交 ,遗传观察结果未能出现核质互作表现
可育的细胞质基因型。究其原因可能是由于胞质类型的遗传多样性不足 ,也可能是由于雄性不育细胞
核基因的数目太少。如何寻找和获得核突变雄性不育相对应的可育细胞质 ,还有待深入探讨。
三系杂交稻的遗传研究表明 ,水稻细胞质的类型和地域分布之间关系相当复杂 ,迄今还没有可供借
鉴的规律。例如 ,来源于海南的野败型 (WA 型) 、来源于江西的矮秆野生稻 (DA 型) 、来源于印尼的印尼
水田谷 6 号 ( ID 型) 、产于非洲的 Gambiaka Kokua ( G型)和Dissi 52Π37 (D 型)等 ,它们虽然分布在地球上广
阔的地域 ,但是它们的恢复系和保持系关系极其相似或基本相同 ,因而可以归属于相似或相同的细胞质
类型。而同样起源于中国海南的野败型 (WA 型) 和红莲型 ( HL 型) 却是两种性质截然不同的细胞质类
型 ,表现在它们的恢复系和保持系关系完全不同[6 ,7 ] 。
水稻细胞质分类不同于经典的植物学分类 ,迄今这一领域的研究几乎是空白。因此 ,加强和深入植
物细胞质分类这一基础研究将会有助于推进核突变雄性不育保持系的研究进程。
参考文献 :
[1 ] Elliott F. C. Plant Breeding and Cytogeneties ,Mc Graw Hill Back Co. Inc. ,New York ,1958 (中译本. 植物育种和细胞遗传学 ,奚元龄等译.
北京 : 科学出版社 ,1964)
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21 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2005 ,19 (1) : ～