全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 032296204
重离子辐射诱导玉米雄性不育突变系的遗传研究
罗红兵1 　赵　葵2 　周文新1 　倪媚楠2 　屠乃美1 　孔福全2
(11 湖南农业大学农学院 ,湖南 长沙　410128 ;21 中国原子能科学研究院核物理所 ,北京　102413)
摘　要 :利用 30Gy7Li 离子辐射玉米杂交种农大 108 的种子 ,从 M3 代材料中获得雄性不育突变材料
39I322 ,并通过套袋杂交获得了不育材料的杂交组合。调查不育突变植株性状及其杂交组合和 F2 代雄花
育性 ,结果表明 ,不育材料 39I322花粉败育彻底 ,不育性状表现稳定 ,呈现出由隐性单基因控制的核不育
的遗传特点。雄性不育突变体的出现与重离子辐射诱导有关 ,为基因突变的结果。
关键词 :重离子辐射诱导 ;玉米 ;雄性不育 ;突变体 ;遗传 ;变异
GENETIC STUDY ON MALE STERILE MUTANT OF MAIZE INDUCED BY
HEAVY ION IRRADIATION
LUO Hong2bing1 　ZHAO Kui2 　ZHOU Wen2xin1 　NI Mei2nan2 　TU Nai2mei1 　KONG Fu2quan2
(11 College of Agronomy , Hunan Agricultural University , Changsha , Hunan 　410128 ;
21 Institute of Nuclear Physics , China Institute of Atomic Energy , Beijing 　102413)
Abstract :A male sterile mutant named 39I322 was selected from the M3 generation of Nongda 108 (a maize variety) which dry
seeds were irradiated with 30Gy 7Li , and combinations between male sterile plants and other fertile plants were also obtained
through bagging cross. The characteristics of the male sterile mutant and its fertilities of combinations were studied , and the
fertilities of the F2 generation were surveyed. The results showed that the sterile material was thoroughly abortive ,and the
sterile trail was stable , which indicated a genetic feature of single recessive gene controlled nucleus sterility. The appearance of
male sterile mutant was caused through gene mutation by heavy ion irradiation.
Key words :heavy ion irradiation ; maize ; male sterility ; mutant ; heredity ; variation
收稿日期 :2007208220 　接受日期 :2007212206
基金项目 :湖南省自然科学基金 (04JJ3022 ,05JJ3034) ;湖南省教育厅资助项目 (04C285) ;湖南农业大学基础科学基金项目 (07JC12)
作者简介 :罗红兵 (19682) ,男 ,湖南邵东人 ,博士 ,副教授 ,主要从事玉米遗传育种研究。　　20 世纪 80 年代中后期 ,中国科学院等离子体物理研究所首先将低能离子应用于作物诱变育种研究 ,开创了我国自主知识产权的原创新技术 ———低能离子物理诱变技术[1 ] 。经过近 20 年的深入探索 ,对低能离子束物理诱变的机理研究取得了重要进展 ,并在农作物育种、微生物菌种改良及离子束介导的遗传转化等方面的利用也取得了重要成果[2～10 ] 。据不完全统计 ,我国利用低能离子束育成并通过审定的品种 15 个 ,认定的新品种 6 个[11 ] 。利用低能离子束物理诱变技术进行作物育种主要集中于水稻、小麦和蔬菜上 ,在玉米上的应用较少 ,特别是利用重离子诱变创造核基因雄 性不育的突变研究尚未见报道。本研究利用 HI213 串列加速器产生的重离子辐射玉米种子 ,经诱变选择获得了雄性不育突变系。1 　材料与方法111 　材料玉米杂交种农大 108 的干种子 ,由中国农业大学提供。112 　方法11211 　种子辐照 　2003 年 10 月 ,将玉米种子用双面
692　 核 农 学 报　2008 ,22 (3) :296～299Journal of Nuclear Agricultural Sciences
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胶粘在靶面上 ,胚部向外。利用中国原子能科学研究
院 HI213 串列加速器提供的 ,经电磁扫描获得强度分
布均匀的7Li 和12 C 重离子束 (重离子束穿过 50μm 的
Kapton 膜) ,在大气环境下对玉米种子进行辐照。用金
硅面垒半导体探测器监测辐照剂量 ,实现对种子的胚
部进行均匀辐照。两种离子选取的剂量分别为 10、
30、50、80Gy ,每剂量约辐照 100 粒种子。以同批种子
中未辐照种子作对照。
11212 　田间试验 　2003 年 12 月 ,将对照种子 (S0 代)
和辐照种子 (M1 代) 种植于海南三亚湖南农业大学南
繁基地 ,单粒播种 ,不同剂量辐照材料和对照材料于开
花前套袋 ,各自交 5～8 株。2004 年 3 月 ,在湖南农业
大学试验农场播种上述当选自交果穗 (M2 代和 S1
代) ,按株系播种 ,各株系再选株自交 3～4 株。2005 年
3 月 ,按株系种植当选株系 M3 代和 S2 代 ,在辐照处理
材料的 1 个自交果穗 (39I3 - 2 ) 中分离出一定数量的不
育株 ,一方面将不育株与同株系的可育株姊妹交 ,同时
可育株套袋自交 ;另一方面将不育株与 478、联 87、综
32 、G5421 等自交系测交。2005 年秋季 ,将姊妹交组
合、测交组合及同株系可育株套袋自交种子、出现分离
的原株系种子种植于湖南农业大学试验农场 ,将全恢
复型姊妹交组合、测交组合套袋自交。2005 年 12 月 ,
将出现分离的原株系种子种植于海南三亚湖南农业大
学南繁基地。2006 年春季在湖南农业大学常德教学
基地种植全恢复型姊妹交组合和测交组合的 F2 代。
以上各季试验均种植农大 108 及其亲本 (黄 C 和
178) ,抽雄开花期采用室内花粉镜检与田间鉴定相结
合的方法调查植株雄花育性。田间鉴定分单株进行 ,
在雄花开花的中、后期按照 5 级分类育性标准调查 2
～3 次[12 ] 。所有材料田间管理为常规栽培管理。
2 　结果与分析
211 　重离子辐照玉米种子不同世代的育性表现
农大 108 经重离子束7Li 和12 C 各 4 个不同剂量辐
照后的 M1 代和 M2 代所有植株雄花育性正常 ,经
30Gy7Li 离子辐照的 M3 代中一个编号为 39I3 - 2的株系
中部分植株出现了雄性完全不育 ,其他辐照处理 M3
代植株雄花正常可育。未辐照的 S0～S2 植株雄花均
正常可育。
212 　重离子辐照玉米后代 39I3 - 2的育性表现
表 1 列出了 30Gy 7Li 离子辐照诱变农大 108 种子
得到的 39I3 - 2在不同播种季节的育性表现。由表 1 可
见 ,39I3 - 2在不同时间、地点的种植中均出现育性分离
现象 ,说明雄性不育性状遗传稳定 ,环境中的温度、光
照等因素不能影响其育性的表现。
表 1 　重离子辐照玉米后代 39I3 - 2在不同播种季节的育性表现
Table 1 　Fertility expression of maize mutant 39I3 - 2
in different sowing seasons
世代
generation
M3 M3 M3 合计 total
播种时间
sowing date
(yearΠmonth) 2005Π03 2005Π07 2005Π12
播种地点
sowing location
长沙
Changsha
长沙
Changsha
三亚
Sanya
总株数
No. of plants
89 63 55 207
可育株数
No. of fertile plants
64 44 40 148
不育株数
No. of sterile plants
25 19 15 59
χ2 (3∶1) 01303 01641 01055 11174
注 :卡方测验临界值为χ20105 ,1 = 3184 ,表 3 和表 4 相同。
Note :The critical value of chi square testsχ20105 ,1 = 3184 ,the same as following
Table 3 and Table 4.
不育突变材料雄花闭颖不开 ,花药明显偏小 ,室内
镜检发现所有不育株均为无花粉型 ;而可育株雄穗发
达 (见图 1) 。
213 　突变发生的观察
在对照与辐照处理材料的同步观察中发现 ,雄性
不育现象仅出现在 30Gy 7Li 离子辐照处理材料后代
中 ,而在对照 (包括其亲本 ,如表 2 所示) 及其后代 (S0
～S2 ) 中均未出现 ,说明雄性不育的产生与重离子
30Gy 7Li 辐射诱导有关。
214 　重离子辐照玉米后代 39I3 - 2 不育性状的遗传分
析
39I3 - 2不育株与同株系可育株杂交 ,其 F1 植株的
育性表现有两种 (表 3) :组合 39s1 ×39R1 和组合 39s4
×39R4 育性分离 ,且可育株与不育株符合一对核基因
控制的 1∶1 分离比例 ;组合 39s2 ×39R2 和组合 39s3 ×
39R3 F1 全部可育 ,自交后代 (F2 )出现育性分离 ,且可育
株与不育株符合一对隐性核基因控制的 3∶1 分离比
例。原株系中用于授粉的可育株 ,其自交后代也表现
出育性分离 (39R1 和 39R4 ) 和全部可育 (39R2 和 39R3 )
两种情况 ,且杂交后代与提供花粉株自交后代的表现
完全一致。这说明育性分离株系可育株的基因型有纯
合和杂合之分 ,凡用杂合可育株授粉 F1 为育性分离 ,
792　3 期 重离子辐射诱导玉米雄性不育突变系的遗传研究
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图 1 　39I3 - 2雄穗育性分离情况 (2005 年 6 月 ,长沙)
Fig. 1 　The male fertility segregation
of 39I3 - 2 (June 2005 ,Changsha)
左箭头所示为雄性不育株 ,右箭头所示为正常可育株
Left arrow : male sterile plant ; Right arrow :normal plant
表 2 　玉米农大 108 及其亲本在不同播种季节的育性表现
Table 2 　Fertility expression of Nongda 108 and its
parents in different sowing seasons
材料
material
播种时间
Sowing date
(yearΠmonth) 播种地点sowinglocation 总株数No. ofplants 可育株数No. offertile
plants
不育株数
No. of
sterile
plants
农大 108
Nongda108
2005Π03 长沙 Changsha 40 40 0
农大 108
Nongda108
2005Π07 长沙 Changsha 28 28 0
农大 108
Nongda108
2005Π12 三亚 Sanya 33 33 0
黄 C Huang C 2005Π03 长沙 Changsha 41 41 0
黄 C Huang C 2005Π07 长沙 Changsha 45 45 0
黄 C Huang C 2005Π12 三亚 Sanya 31 31 0
178 2005Π03 长沙 Changsha 38 38 0
178 2005Π07 长沙 Changsha 44 44 0
178 2005Π12 三亚 Sanya 29 29 0
注 :黄 C和 178 为农大 108 的父本和母本。
Note : Huang C and 178 are the parents of Nongda 108.
而用纯合可育株授粉 F1 为育性全恢复。不育株与其
他自交系杂交 ,所有 F1 的育性完全恢复 ,F2 出现育性
分离 (表 4) ,可育株与不育株符合一对隐性核基因控
制的 3∶1 分离比例 , 表明该不育性状的遗传由一对隐
表 3 　39I3 - 2不育株姊妹交及可育株自交后代的育性表现
Table 3 　The fertility expression of 39I3 - 2 in
different cross progenies
材料
material
可育株数
No. of
fertile
plants
不育株数
No. of
sterile
plants
χ2 (1∶1) χ2 (3∶1)
39s1 ×39R1 29 27 01018
39R1 á 43 10 01761
39s2 ×39R2 59 0
39R2 á 55 0
[39s2 ×39R2 ] á 118 36 01139
39s3 ×39R3 54 0
39R3 á 49 0
[39s3 ×39R3 ] á 110 33 01189
39s4 ×39R4 38 41 01051
39R4 á 39 19 11471
注 :39s1 ×39R1 表示不育株 s1 与同株系可育株 R1 杂交 ;39R1 á 表示可
育株 R1 自交。
Note : 39s1 ×39R1 means combination between male sterile plant s1 and other
fertile plant R1 ; 39R1 á represents self2pollination of fertile plant R11
表 4 　39I3 - 2不育株与自交系杂交 F2 代的育性表现
Table 4 　The fertility expression of F2 progenies from
combinations between male sterile
plants from 39I3 - 2 and inbred
组合
combination
F2 育性表现
(F2 Fertility segregation)
可育株数
No. of fertile
plants
不育株数
No. of sterile
plants
χ2 (3∶1)
39s5 ×478 68 29 01993
39s6 ×联 87 81 31 01297
39s6 ×Luan 87
39s7 ×综 31 43 11 01395
39s7 ×Zong 31
39s8 ×G5421 58 24 01585
性基因控制。
3 　讨论
311 　雄性不育性状产生的原因分析
本研究所用玉米材料农大 108 及其父母本均为可
育 ,说明不育性状的出现不是由双亲遗传所致。未辐
照农大 108 的自交后代 ,田间调查和室内镜检均未发
现有雄性不育现象 ,说明该雄性不育材料 39I3 - 2 也非
杂种不育。由此表明 ,该材料的不育性是由重离子辐
射诱导产生的基因突变的结果。
312 　不育性状的遗传特征
经重离子辐射诱导 ,玉米农大 108 种子的 M3 代材
892 核　农　学　报 22 卷
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料出现雄性不育突变体 ,经多代鉴定表明 ,该突变体花
粉败育彻底 ,育性表现稳定 ,是一种可遗传的“无花粉
型”雄性不育。对不育株杂交后代的遗传分析表明 ,不
育性状是由隐性单基因控制 ,表现为典型的孟德尔式
遗传。从目前测交结果来看 ,所用的测验系均为完全
恢复系 ,至今未发现该材料的完全保持系 ,可以初步推
断该雄性不育突变体是受隐性单基因控制的核不育。
313 　玉米重离子辐射诱变育种的特点
实践表明 ,重离子辐射作为一种新的诱变育种手
段应用于作物遗传改良及种质创新是完全可行的[13 ] 。
本研究利用 HI213 串列加速器提供的7Li 和12 C 重离子
束辐射玉米自交系 478 ,对 M1 代发生变化的植株连续
选择获得了生育期比 478 延长 12d、株型发生变化的突
变系 ,通过系统选育从辐照后代材料中分离获得了细
胞质雄性不育材料 ,进一步的转育及纯化工作正在进
行。
田间观察上述雄性不育突变材料的杂交组合分离
世代群体 ,发现少量植株出现叶片密集、株高变矮、多
穗且雄花不育等现象 ,其植物学特性明显不同于同群
体中的其他植株。这是否预示着重离子诱变可同时引
起多基因变异 ,有待进一步研究。
玉米是异花授粉作物 ,其雌雄蕊由不同的原始细
胞分化发育而成 ,雌雄配子很难同时发生突变和具有
完全相同的突变性质 ,所以 M1 代异花授粉产生的 M2
代植株在突变位上往往是杂合的。许多研究表明 ,重
离子辐射引起明显的当代效应 ,生理效应和遗传效应
交织 ,由于大多数突变是隐性基因控制 ,故不能在 M2
代显现 ,到 M3 代经纯合后才开始表现出来。因此 ,在
关注重离子辐射引起明显的当代效应的同时 ,不能忽
视 M3 代及以后世代的诱变效应。
四川农业大学通过卫星搭载玉米种子获得核雄性
不育突变体[14 ,15 ] 。一般认为 ,太空中的微重力、超真
空、电离辐射 (主要是质子和重离子) 是诱发突变的主
要因素。这种核雄性不育突变体的产生是否主要由重
离子辐射引起 ,可通过地面加速器更多的重离子辐射
模拟实验来进一步验证。
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