全 文 ： 文章编号 :100028551 (2000) 0520279205
显性雄性核不育突变体水稻的遗传鉴定
朱旭东1 J . Neil Rutger2
(11 中国水稻研究所 浙江 杭州 310006 ; 21 美国国家水稻种质评价改良中心 斯图加 721602)
摘 要 :利用γ射线处理水稻干种子 ,从 2 个美国品种 Orion 和 Kaybonnet 中分别获
得了雄性核不育突变体 1783 和 1789。对 1783 的 M7 代和 1789 的 M6 代的花粉育性
和结实率进行了观察和考查 ,并对后裔单株育性的分离结果进行了统计分析。结果
表明 ,突变体 1783 和 1789 的育性分离为 1 可育 :1 不育 ,雄性核不育性受一对显性
基因控制 ,是一种人工诱变中不常见的显性突变。2 个雄性核不育突变体的花粉育
性 ,经 I2KI 染色表现为部分败育 ,自然状态下的结实率为 30 %左右 ,套袋结实率仅
013 %～315 %。显性雄性核不育是水稻遗传育种中进行群体改良的有效工具。
关键词 :水稻 ;雄性核不育 ;显性突变
收稿日期 :1998211221
基金项目 :国际原子能机构 ( IAEA)资助项目 (CPR/ 51010)
作者简介 :朱旭东 (1958～) ,男 ,浙江人 ,中国水稻研究所副研究员。从事水稻遗传育种研究 ,研究方向为杂交水稻育种
雄性不育是植物比较普遍的一种生物学现象。在水稻中已报道过 70 多种雄性核不育基
因和约 35 种质2核互作雄性不育水稻类型。雄性不育可以通过自然突变和人工诱变产生 ,尤
其是辐射处理可以比较容易地诱导出雄性核不育突变体。但是 ,不论是人工诱变还是自然突
变 ,雄性核不育往往是一种隐性突变 ,而显性雄性核不育的突变较为罕见。1997 年 ,我们在用
γ射线处理的雄性核不育后代中 ,鉴定出了 2 份源于不同亲本显性雄性核不育突变体 1783 和
1789。本文报道的是该 2 份不育突变体的遗传鉴定结果。同时 ,对这种显性雄性核不育材料
的用途进行了讨论。
1 材料与方法
111 材料及处理
2 份雄性核不育突变体分别由美国水稻品种 Orion 和 Kaybonnet 经γ射线辐照诱变获得。
1993 年以 250 Gy 剂量 Orion 进行处理 ,1994 年以 200 Gy 剂量和 Kaybonnet 进行处理。2 个品
种的辐射 M2 代即出现频率偏高的不育株 ,后续世代 (M3～M6)仍表现出不育株偏多的分离。
112 后裔鉴定
实验于 1997 年在美国阿肯色州的 Stuttgart 试验站进行。从前个世代 (M5～M6) 的代号
分别为 1783 (源于 Orion)和 1789 (源于 Kaybonnet)中 ,若选择若干个结实正常的可育单穗和结
实率低的不育单穗分别脱粒 ,以单穗为单位播成穗行。5 月 13 日播种 ,点穴直播 ,每个穗行的
972 核 农 学 报 2000 ,14 (5) :279～283Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
行长 415m ,行间距 013m ,每穴穗 2～3 粒种子 ,穴间间隔 013m。出苗后 5 叶期进行间苗 ,每穴
留 1 株苗 ,穴间补栽 1 苗以扩大穗行群体。这样每个穗行最多有 32 株。
113 花粉检查和结实率考查
取当天或次日将开花的 8～10 朵颖花置于 FAA 固定液中 ,然后随机取出 4 朵颖花的花药
捣碎 ,用 1 %的 I2KI 染液进行染色。每个样品在 200 倍的显微镜下观测 500～700 粒花粉的染
色情况。
选择部分育性分离的穗行及其亲本进行结实率考查 ,每个穗行的每个单株 (不育株和可育
株)随机选择 1 穗考种。
2 结果与分析
表 1 雄性核不育突变体及其亲
本的 I2KI花粉染色率
Table 1 Pollen stainability with I2KI of male
sterile mutants and their parents
突变体及其亲本
mutants and
parents
花粉染色率 pollen stainability ( %)
田间
field
温室
greenhouse
人工气候箱
growth chamber
平均值
mean
Orion 8213 9114 8618
1783 4615 4111 5519 4815
Kaybonnet 8714 8812 8718
1789 4417 4016 4711 4318211 花粉染色与结实率21111 花粉染色 2 份雄性核不育突变体的花粉染色结果见表 1。用 I2KI 进行染色 ,突变体 1783 和 1789表现出相似的花粉染色率 ,田间 ,温室和人工气候箱不同生长条件取样的结果没有很大差异 ,2 个突变体的花 粉 染 色 率 平 均 为 4718 % 和4411 % ,即有一半以上花粉粒的发育在淀粉充实期发生障碍 ,表现为部分
花粉不育。而其各自的亲本 Orion
和 Kaybonnet 的花粉染色率分别为 8618 %和 8718 % ,花粉发育表现正常 (图版 Ⅰ) 。
图版 Ⅰ 突变体 1783 (A)与亲本 Orion (B)和 1789 (C)与亲本 Kaybonnet (D)的花粉染色情况
Plate Ⅰ Pollen stain of mutant 1783 (A) and Orion (B) and
mutant 1789 (C) and Kaybonnet (D)
1783 和 1789 的花药外观与其亲本相比较 ,花药颜色偏淡黄 ,花药形状偏瘦小。扬花期间
目测花药形态可以区别出正常可育株与雄性不育株。为此 ,在田间条件下对 2 个雄性不育突
082 核 农 学 报 14 卷
变体施行套装 ,以考虑其自交结实情况。
21112 结实率 2 个突变体分别各选择了 3 个育性发生分离的穗行进行结实率的调查 ,考种
结果见表 2。突变体 1783 的结实率 ,在 3 个育性发生分离的穗行中 ,自然条件下不育株的平
均结实率为 2714 % ,可育株的平均结实率为 8119 % ,略低于其亲本 Orion 的结实率 9115 % ;突
变体 1789 的结实率情况与 1783 基本相似 ,结实率 (不育株和可育株) 略高于 1783。对 2 个雄
性不育突变体的套袋结实率结果 ,1783 和 1789 分别平均为 315 %和 013 %。可见 ,自然条件
下的部分结实 (2714 %和 3219 %)是异交所致。
212 后代遗传鉴定
所有实验材料均在 8 月底之前抽穗 ,此前的一个多月时间内未出现异常天气情况。因此 ,
每个植株的育性表现可以说是基因控制的结果。雄性不育突变体 1783 (M7)和 1789 (M6)的育
性分离结果见表 3 和表 4。
表 2 雄性核不育突变体及其亲本的结实率
Table 2 Seed setting rates of male sterile mutants and their parents
突变体及其亲本
mutants and
parents
育 性
fertility
type
结实率 percent of seed set
( %)
穗行 1
row 1
穗行 2
row 2
穗行 3
row 3
平均值±标准差
mean ±SD
Orion 可育 F 9115 ±4153
1783
不育 S
可育 F
2612
8916 30198013 25127518 2714 ±31048119 ±7104
Kaybonnet 可育 F 9514 ±2132
1789 不育 S可育 F
2815
8911 36159311 33198714 3219 ±41088919 ±2193
F :fertile ,S :sterile.
表 3 突变体 1783M7 世代雄性不育分离的比例
Table 3 Sterility segregation frequencies of progenies of mutant 1783 in M7 generation
家系
families
M6 代
结实率
seed set
rate of M6
( %)
穗行数
No. of
panicle
row
观测值
observed
可育
fertile
不育
sterile
期望值
expected
可育
fertile
不育
sterile
x
2
1∶1 P
可育穗行 fertile panicles
178321 6312 6 188 2
178329 8116 6 148
1783210 9017 6 153
不育穗行 sterile panicles
178321 2816 4 48 48 48. 0 48. 0 0 1. 00
178329 27. 6 6 44 59 51. 5 51. 5 2. 18 0. 10～0. 20
1783210 24. 4 6 48 78 63. 0 63. 0 7. 14 < 0101
pooled 140 185 162. 5 162. 5 6. 23 0. 01～0. 02
182 5 期 显性雄性核不育突变体水稻的遗传鉴定
表 4 突变体 1789M6 世代雄性不育分离的比例
Table 4 Sterility segregation frequencies of progenies of mutant 1789 in M6 generation
家系
families
M5 代
结实率
seed set
rate of M5
( %)
穗行数
No. of
panicle
row
观测值
observed
可育
fertile
不育
sterile
期望值
expected
可育
fertile
不育
sterile
x
2
1∶1 P
可育穗行 fertile panicles
178921 8217 4 105
178922 8518 4 102
178923 8414 5 122
不育穗行 sterile panicles
178921 36. 7 9 108 105 106. 5 106. 5 0. 04 0. 80～0. 90
178922 36. 7 17 196 216 206. 0 206. 0 0. 97 0. 30～0. 50
178923 31. 5 6 94 72 83. 0 83. 0 2. 92 0. 05～0. 10
pooled 398 393 395. 5 395. 5 0. 03 0. 80～0. 90
突变体 1783 和 1789 分别各选择了在上一个世代都表现为育性分离的 3 个家系 ,每个家
系 4～17 不等的单穗供遗传鉴定 ,播种前考查了每个单穗的结实率 ,根据结实率将每个家系分
为可育和不育 2 组。从表 3 和表 4 可见 ,凡可育组中的单穗穗行均表现为可育 ,凡不育组中的
单穗穗行均表现为育性分离。在上代为不育的穗行中 ,突变体 1783 的 3 个家系 16 个穗行有
140 株为可育 ,185 株为不育 ,不育株略多于可育株 ;突变体 1789 的 3 个家系 32 个穗行有 398
株是可育株 ,394 株是不育株 ,可育株与不育株的分离符合 1∶1 的比值。
雄性核不育突变体 1783 和 1789 的育性分离行为表明 ,其不育性受一对显性基因控制。
基因型 msms 的个体表现为雄性可育 ,基因型 msms 的个体表现为雄性不育 ,不育株上所结的
种子 (异交结实) ,其后代表现为一半可育一半不育 ,不育株控制育性的基因型总是以杂合的形
态存在。至于突变体 1783 的不育株多于可育株 ,可能与 1783 能够少量自交结实有关 ,在不育
穗施行套袋的情况下结实率为 213 %～417 % ,平均为 315 %。
3 讨 论
显性雄性核不育在棉花、小麦、谷子和水稻等作物上已有过报道 ,但是不常见。颜隆安等
在通过栽培稻与野生稻杂交的后代中 ,发现了水稻中第一个显性雄性核不育材料 7812[1 ] ,该
材料在幼穗分化期遇持续高温 (白天平均温度 30 ℃以上 10d) ,会产生部分可育花粉而结得少
量种子。本研究发现的 2 份显性雄性核不育材料是通过γ射线辐射诱变获得的。在来源上与
7812 不同 ,在花粉败育方面也不同于 7812 (典败型) 。
雄性核不育作为一种育种遗传工具有两个主要用途 :一是用于生产杂交种籽 ,如目前我国
生产上大面积应用的杂交水稻 ;二是用于群体改良 (包括轮回选择和回交育种) ,利用雄性不育
要以极大方便杂交 ,提高工作效率。利用显性核不育的优点就大于每个世代都有半数的植株
为不育株 ,有利于基因的充分交流和重组 ,而且育种效率高 ,无须象隐性核不育那样要隔代才
能得到仅 1/ 4 的不育株。
282 核 农 学 报 14 卷
在自花授粉的作用中 ,要使遗传结构获得重大改进 ,Jensen 提出可以采用多系选择杂交
法[7 ] 。在多系选择杂交中 ,使用的品种很多 ,将这些品种相互杂交 ,产生多种多样具有不同遗
传变异的群体 ,或再从这些群体中选择优良单株再次杂交 ,进一步配制成新的遗传群体。选育
工作可以在不同的群体以及不同等级的群体中进行。利用显性雄性不育材料进行多品种 ,多
品系相互杂交能得到事半功倍的效果。例如 ,在我国水稻生产上的 3 个主要病害中 ,纹枯病的
危害日益加重。然而 ,纹枯病的抗源又极其贫乏 ,高抗乃至免疫的水稻种质资源至今尚未发现
被发现 ,在栽培稻的近缘物种中也未发现有高抗纹枯病的材料。通过对一些中抗纹枯病水稻
品种的遗传分析结果显示 ,水稻纹枯病的抗性多表现为数量性状的遗传。利用显性雄性核不
育材料 ,构建抗纹枯病水稻改良的轮回群体 ,通过轮回选择提高水稻品种抗纹枯病的水平值得
尝试。
参考文献 :
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IDENTIFICATION OF DOMINANT MAL E STERIL E MUTANTS
IN RICE ( Oryza sativa L. )
ZHU Xu2dong1 RU TGER J Neil2
(11 China National Rice Research Instit ute , Zhejiang Prov . Hangz hou 310006 ;
21 National Rice Germ plasm Evaluation & Enhancement Center , S t uttgart , A R , USA )
ABSTRACT :Genetic male sterile mutants 1783 and 1789 were selected from US variety Orion
and Kaybonnet seeds treated by gamma irradiation. Investigation of fertil ity characterization of
pollen and spikelets of these mutants were made by progeny tests in 1783 M7 and 1789 M6 gener2
ations. The results showed that genetic male sterile mutants 1783 and 1789 with the fertil ity seg2
regating of 1 sterile :1 fertile were controlled by a single dominant gene. The pollen staining of
mutants characterized partial steril ity. Open2poll inated seed set was about 30 %and bagged seed
set was only 013 %～315 %. It is concluded that dominant genetic male sterile is a usef ul tool in
improvement of population for rice breeding.
Key words :O ryz a sativa ; genetic male sterility ; dominant mutation
382Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2000 ,14 (5) :279～283