全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(8): 1366−1376 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30971756)和教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 刘向东, E-mail: xdliu@scau.edu.cn; 卢永根, E-mail: yglu@scau.edu.cn
**同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2012-11-30; Accepted(接受日期): 2013-04-22; Published online(网络出版日期): 2013-05-20.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130520.1159.014.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.01366
从携带 S5n基因的水稻种质中发掘 San、Sbn和 Scn基因
李宏岩** 王思哲** SHAHID Muhammad Qasim** 陈志雄 王 兰
陈凤宜 刘向东* 卢永根*
华南农业大学 / 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室, 广东广州 510642
摘 要: 花粉不育是籼粳杂种 F1优势利用的主要障碍之一。包括 Sa、Sb和 Sc等至少 6个基因座位内的等位基因互作
会引起花粉不育, 这些座位上的中性等位基因可以克服不育性。本文用携带 S5n的水稻种质, 分别与台中 65 及其携
带花粉不育基因的一套近等基因系杂交, 组配具有单个座位互作和多个座位同时互作的杂种 F1, 首先通过观察杂种
F1的花粉育性并比较相应杂种 F1育性的差异, 初步判断是否具有中性等位基因, 然后采用与 Sa、Sb和 Sc座位紧密连
锁的分子标记对 F2植株基因型的分离进行检测, 并分析其分离比例的符合度, 确定存在中性等位基因的真实性。结
果发现在所鉴定的 6份材料中有 2份(灰背子和 Madhukar)同时携带 San和 Sbn, 3份(饭毫皮、秕五升和粤泰 B)携带 Sbn,
1份(Jackson)携带 Scn。这些材料同时携带可克服杂种 F1胚囊不育和花粉不育的基因, 是克服籼粳杂种 F1不育性的重
要基因来源。
关键词: 水稻(Oryza sativa L.); 等位基因互作; 杂种不育性; 雄性不育; S5n
Excavation of Neutral Alleles San, Sbn, and Scn from Rice Germplasm Harboring
S5n Gene
LI Hong-Yan**, WANG Si-Zhe**, SHAHID Muhammad Qasim**, CHEN Zhi-Xiong, WANG Lan, CHEN
Feng-Yi, LIU Xiang-Dong*, and LU Yong-Gen*
State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,
China
Abstract: One of the principal barriers in utilization of heterosis between indica and japonica subspecies of Asian cultivated rice
is F1 pollen sterility. According to the “specific compatibility gene” theory, there are at least six loci, which cause indica and ja-
ponica hybrid pollen. Excavation and utilization of neutral alleles for overcoming F1 hybrid sterility have great importance in
hybrid breeding. Varieties carrying S5n gene were used to cross with Taichung 65 and its near isogenic lines (NILs) to produce F1
hybrids with single-locus interaction, double-loci interaction and triple-loci interaction. Pollen fertility and seed setting rate of
these hybrids were observed in F1 to pre-judge the existence of neutral alleles and then F2 generation was genotyped with mo-
lecular markers tightly linked to Sa, Sb, and Sc loci to verify the presence of San, Sbn, and Scn by detecting segregation ratio. The
results showed that two materials (Huibeizi and Madhukar) carried San and Sbn, three materials (Fanhaopi, Biwusheng, and Yuetai
B) carried Sbn and one material (Jackson) carried Scn. These materials have wide compatibility and neutral alleles are important
germplasm for hybrid breeding and knowing the molecular mechanisms underlying hybrid male sterility.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); Allelic interaction; Hybrid sterility; Male sterility; Wide compatibility gene (S5n)
亚洲栽培稻具有 2个亚种, 即籼亚种和粳亚种。
利用籼亚种(籼稻)与粳亚种(粳稻)杂交 F1 (以下简称
为“籼粳杂种 F1”)具有强大的生物学优势, 以及明显
的增产潜力。然而由于籼粳杂种 F1普遍存在高度不
育, 严重影响其产量优势的发挥, 所以克服其杂种
F1的不育性是利用籼粳杂种优势的关键所在[1]。
第 8期 李宏岩等: 从携带 S5n基因的水稻种质中发掘 San、Sbn和 Scn基因 1367


籼粳杂种 F1 不育主要表现为花粉不育和胚囊
不育, 两者对杂种 F1 不育性的产生具有同等重要
性[2-4]。有关胚囊不育的遗传学研究, 近年来取得重
大突破, Chen 等[5]克隆了 S5n 并初步阐明其作用机
制。Yang等[6-7]和 Wei等[8]根据 Chen等的研究成果,
设计了 S5n功能性标记, 在栽培稻和野生稻中成功鉴
定了 48 份携带 S5n水稻新种质(其中 26 份栽培稻和
22 份野生稻), 并开展了其基因的分化研究[9]。有关
花粉不育, Long等[10]克隆了籼粳杂种 F1花粉不育基
因 Sa, 提出了“两基因/三元件互作”的模式以解释该
基因的作用机制。这些研究的进一步开展为克服籼
粳杂种 F1的不育性起着重要的推动作用。
籼粳杂种 F1花粉不育性的机制比较复杂。张桂
权和卢永根等[11-13]通过台中 65及其携带有籼粳杂种
F1 花粉不育基因的一套近等基因系组配杂交组合进
行遗传学研究, 提出了“特异亲和基因”新学术观点,
认为籼粳杂种 F1花粉不育至少受 6个基因座位互作
影响, 包括 Sa、Sb、Sc、Sd、Se和 Sf等, 每个座位籼
型等位基因(SiSi)与粳型等位基因(SjSj)互作都可以引
起部分不育, 但不育的程度和类型却因座位不同而
异。此外, 随着互作座位数量的增加, 花粉不育程度
也随着增加。进一步研究发现这 6 个座位均存在复
等位基因, 其中有一种基因功能类似 S5n, 可以克服
本座位互作引起的不育性, 被称为籼粳杂种 F1花粉
育性的“中性等位基因”(neutral allele, 即 Sn, 以下简
称为“中性基因”)。从理论上讲, 如果籼粳杂种 F1每
个座位均存在中性基因, 那么就有望全面克服籼粳
杂种 F1 花粉不育性, 所以, 发掘和鉴定该中性基因
具有重要意义。目前已有研究表明, 在一些栽培稻
中可能存在这种中性基因 [14-18], 值得进一步深入
研究。
为了广泛并更加准确地鉴定籼粳杂种 F1花粉不
育的中性基因, 本研究以我们发掘的携带 S5n水稻新
种质(目的以尽可能消除籼粳杂种 F1 胚囊不育的影
响)为待测材料, 在已有广泛杂交的基础上, 发现其
中的 6 份可能携带花粉育性中性基因的材料, 分别
与台中 65 及其携带籼粳杂种 F1花粉不育基因的近
等基因系测交, 先通过观察 F1 的花粉育性, 初步判
断是否具有中性基因, 然后, 再利用与花粉不育基
因紧密连锁且亲本间存在明显多态性的分子标记
(包括 SNP 标记等, 刘耀光, 个人通讯)对杂种 F2植
株的基因型进行分子标记检测 , 分析其分离情况 ,
以验证中性基因存在的可靠性。本文主要报道 San、
Sbn和 Scn的鉴定及分析结果, 以期发现同时携带 S5n
和花粉育性中性基因的材料, 为克服籼粳杂种不育
性提供新材料。
1 材料与方法
1.1 材料
选用可能携带籼粳杂种 F1花粉育性中性基因的
6份材料(均具 S5n), 包括饭毫皮、灰背子、Madhukar、
秕五升、粤泰 B和 Jackson [6-7,9]。以粳稻台中 65及
其携带花粉不育基因的近等基因系(表 1)为测验种。
将组配的杂种 F1及杂种 F2分别于 2011 年 3 月和 8
月种植于华南农业大学教学科研试验农场。
1.2 方法
1.2.1 测交组合配制 利用以上 6 份材料分别与
台中 65 及其携带决定籼粳杂种花粉育性基因的近
等基因系杂交组配测交杂种 F1(以下简称“杂种 F1”)。
1.2.2 花粉育性检测 花粉育性参照张桂权和卢
永根[11]的方法稍作修改检测。取每株主穗中上部枝
梗上 3个当天将要开花的顶端小穗。利用 FAA溶液
(50%乙醇∶冰乙酸∶甲醛溶液=89∶6∶5)固定 72
h。其后用 50%乙醇清洗并转入 70%乙醇于 4℃冰箱
中保存待用。取出颖花内花药放在滴有 2% I2-KI溶
液的载玻片上, 将其夹碎并去掉碎片, 加盖片。在
Motic BA200 显微镜下观察花粉育性。依据染色后
花粉粒的形状、大小和着色情况, 将花粉分为可育、
染败和空败花粉 3 种。对每个杂种 F1观察 3 株, 分
别算出每株可育花粉率, 取平均值计算出杂种 F1的
花粉育性。
1.2.3 分子标记的选择及检测分析 选用 15对与
F1花粉不育基因 Sa、Sb和 Sc座位紧密连锁的分子标
记, 其中以 RM 编号的引物是由美国康奈尔大学发
展的[19], P编号的引物由黄朝锋等[20]设计, 其余的由
本校刘耀光研究员提供。Sa 标记有 6 对, 分别是
G02-69、G02-73、G02-76.3、G02-78.5、G02-84 和
G02-148 [10]; Sb标记有 3对, 分别是 E02-45、A07-55
和 A07-130; Sc 标记有 6 对 , 分别是 P24-85.7、
P24-100.7、P24-90.4、L14-121、J04-91和 RM7。
采用 PCR 检测分子标记, 聚丙烯酰胺变性凝胶
分离分析扩增产物。取水稻新鲜叶片剪成 1~2 cm左
右的小片, 放入 1.5 mL离心管, 加 100 μL 0.25 mol
L−1 NaOH, 沸水浴 30 s; 再加 100 μL 0.25 mol L−1
HCl和 50 μL 1 mol L−1 Tris-HCl (pH 8.0), 沸水浴 2
min。所提取 DNA置 4℃冰箱保存。按照 Yang等[6]
1368 作 物 学 报 第 39卷

的方法稍加修改进行 PCR扩增。20 μL反应体系中
包括 0.15 μmol L−1的引物、200 μmol L−1 dNTP、
1×PCR反应缓冲液(50 mmol L−1 KCl、10 mmol L−1
pH 8.0的 Tris-HCl、1.5 mmol L−1 MgCl2、0.1%明胶)、
50~100 ng的 DNA模板、1 U Taq酶。反应在 TaKaRa
PCR DNA 扩增仪中进行。所用的反应程序为 94℃
预变性 5 min, 循环(94℃ 1 min、55℃ 1 min、72℃
1 min) 32次, 最后 72℃延伸 5 min。用 6%聚丙烯酰
胺变性凝胶分离检测扩增产物。
1.2.4 San、Sbn 和 Scn 鉴定的策略 参照丁效华
等[14-15]、Shi 等[16]和 Shahid 等[21]的鉴定方法, 利用
待测材料分别与携带决定籼粳杂种花粉育性基因的
近等基因系杂交, 组配不同基因组合类型的杂种 F1,
种植杂种 F1。先分别观察杂种 F1的花粉育性, 通过
t 测验比较单个座位内互作与没有互作杂种 F1的花
粉育性差异, 如果两者不存在显著差异, 就可以初
步判断该材料含有中性基因。然后, 通过分子标记
检测杂种 F2植株 3种基因型(亲本 1、杂合型和亲本
2)的分离比例是否符合 1∶2∶1 (卡方测验), 如果符
合, 就可判定该材料存在本座位的中性基因。
以 Sa座位为例, 假设待测材料基因型为籼基因
型 SaiSai (简写为“ii”), 当与携带 ii 的测验种杂交时,
如果没有其他座位互作, 那么杂种 F1的花粉育性就
表现正常; 与携带粳型基因型 SajSaj (简写为“jj”)的
测验种杂交时, 那么其 F1 就可能出现花粉不育, 育
性明显偏低, 与前一个杂种 F1 (ii×ii)比较, 两者将出
现显著差异。进一步检测 SaiSai×SajSaj组合 F2植株 3
种基因型(ii、ij 和 jj)的分离比例, 其比例将不符合
1∶2∶1。假定 Sa座位存在中性基因 San, 那么该材
料与携带 jj 测验种杂交时, 在没有其他座位互作的
前提下, 其 F1花粉育性将表现正常; 与携带 ii 测验
种杂交也是如此, 2个 F1花粉育性之间将不会出现显
著差异。F2植株 3 种基因型(亲本 1、杂合型和亲本
2)的分离比例将符合 1∶2∶1。
由于考虑到不同待测材料 Sa、Sb和 Sc座位上的
基因型不一样, 所以本研究采用台中 65及其花粉不
育基因的一整套近等基因系分别测交, 选出只有单
个座位“互作”的杂种 F1比较分析, 以尽可能消除其
他座位互作可能对杂种 F1花粉育性造成的影响。在
检测 F2植株基因型的分离比例时, 也尽可能选择对
应的单个座位互作杂种 F1 (特别是亲本具有明显多
态性的组合)自交的 F2代, 对于符合 1∶2∶1分离比
例的组合, 均多采用另外一对在亲本间具有多态性
的引物验证检测, 以确保结果的准确性。
2 结果与分析
2.1 待测材料 Sa、Sb和 Sc座位可能基因型的判断
利用与 F1花粉不育基因 Sa、Sb和 Sc座位紧密
连锁的分子标记, 对待测材料及其各自的测交亲本
(台中 65 及其近等基因系)进行多态性检测, 结果发
现 6 对分子标记在亲本间具有明显的多态性, 分别
是 Sa的 SNP 标记 G02-148 和 G02-69, Sb的 SNP 标
记 A07-130 和 A07-55, 以及与 Sc紧密连锁的 SSR
分子标记 P24-85.7和 P24-100.7。
利用其中 3 对引物(分别是 Sa 的 G02-148、Sb
的 A07-130和 Sc的 P24-85.7)分别鉴定 7个待测材料
Sa、Sb和 Sc座位的分子标记多态性。从图 1可以看
出, 台中 65 及其近等基因系在 Sa、Sb和 Sc三个座
位上的分子标记均有明显的多态性, 与已有的研究
结果一致[10-13,16]。由于这些材料在以上 3个座位的基
因型已经明确(表 1), 所以, 可以作为参照对待测材
料可能的基因型作出判断(表 1)。
2.2 待测材料中性基因的鉴定
2.2.1 Jackson
(1) Sa和 Sb座位基因属性的判断。从表 1和表 2
可以看出, 由于(Jackson×E237)杂种 F1 和(Jackson×
E234)杂种 F1只在 Sa座位存在基因型“互作”的差异
(以下除特别说明外, 其他所有用于比较的杂种均为
单座位“互作”差异的杂种 F1), 所以可以通过育性的
差异显著性比较, 初步确定该座位是否存在中性基
因。结果显示(Jackson×E237)杂种 F1 花粉育性平均
为 47.60%, 与 (Jackson×E234)杂种 F1 花粉育性
(83.03%)比较, 两者存在极显著差异(表 2 和表 3)。
F2 代 3 种基因型的分离比例为 7∶59∶77, 不符
合 1∶2∶1 的分离比例(表 4)。由此判断 Jackson
在 Sa座位不存在中性基因。Sb座位测交 F1的花粉
育性以及 F2三种基因型的分离比例与 Sa座位具有类
似的情况, 说明 Jackson 在 Sb座位上也不存在中性
基因。
(2) Sc座位中性基因的判定。(Jackson×E231)杂
种 F1的花粉育性平均为 74.00%, 与(Jackson×E234)
杂种 F1 的花粉育性(83.03%)比较, 两者不存在显著
差异(表 2、表 3、图 2-F和图 2-I)。进一步对其杂种
F2 代单株进行分子标记分离检测, 3 种基因型符合
1∶2∶1 的分离比(表 4)。说明 Jackson 在 Sc座位存
在 Scn。

第 8期 李宏岩等: 从携带 S5n基因的水稻种质中发掘 San、Sbn和 Scn基因 1369


表 1 6份携带 S5n水稻材料和台中 65及其携带决定籼粳杂种花粉育性基因的近等基因系在 Sa、Sb和 Sc座位上的基因型
Table 1 Genotypes of Taichung 65 and its pollen-sterility near-isogenic lines and six tester lines harboring S5n at Sa, Sb, and Sc loci
代号
Code
材料名称
Name of rice germplasm
Sa Sb Sc
是否具有 S5n
Presence of S5n
来源地
Origin
E231 台中 65 Taichung 65 jj① jj jj 否 No 中国台湾
Taiwan, China
E232 台中 65 Sb近等基因系
Near isogenic line with Sb locus from Taichung 65
jj ii jj 否 No 中国广东
Guangdong, China
E233 台中 65 Sa近等基因系
Near isogenic line with Sa locus from Taichung 65
ii jj jj 否 No 中国广东
Guangdong, China
E234 台中 65Sc近等基因系
Near isogenic line with Sc locus from Taichung 65
jj jj ii 否 No 中国广东
Guangdong, China
E235 台中 65SaSb近等基因系
Near isogenic line with SaSbof Taichung 65
ii ii jj 否 No 中国广东
Guangdong, China
E236 台中 65 SbSc近等基因系
Near isogenic line with SbSc loci from Taichung 65
jj ii ii 否 No 中国广东
Guangdong, China
E237 台中 65 SaSc近等基因系
Near isogenic line with SaSc loci from Taichung 65
ii jj ii 否 No 中国广东
Guangdong, China
E238 台中 65SaSbSc近等基因系
Near isogenic line with SaSbSc loci from Taichung 65
ii ii ii 否 No 中国广东
Guangdong, China
E25 Jackson “jj” ② “jj” “ii” 是 Yes
美国
America
N101 饭毫皮
Fanhaopi
“ii” “jj” “ii” 是 Yes
中国云南
Yunnan, China
N103 秕五升
Biwusheng
“ii” ii “ii” 是 Yes
中国云南
Yunnan, China
CC31 灰背子
Huibeizi
“ii” ii “ii” 是 Yes
中国云贵高原
Yunnan-Guizhou Plateau, China
ZB23 Madhukar “ii” “jj” “ii” 是 Yes 不详 Unknown
ZB89 粤泰 B
Yuetai B
“ii” ii “ii” 是 Yes
中国广东
Guangdong, China
①jj指 SajSaj; ②“jj”和“ii”为可能基因型, 余同。
①ii (indica) and jj (japonica) denote genotypes at Sa , Sb, and Sc loci; ② possible genotypes at Sa , Sb, and Sc loci.

2.2.2 灰背子
(1) Sa座位中性基因的判定。(灰背子×E236)杂
种 F1的花粉育性平均为 77.95%, (灰背子×E238)杂种
F1的花粉育性 71.31%, 两者不存在显著差异(表 3、
图 2-D和图 2-I), 由此, 初步判断该材料在 Sa座位可
能存在中性基因 San。进一步对(灰背子×E236)杂种
F1 自交的 F2 单株进行分子标记分离检测, 发现 F2
中 3 种基因型(亲本 1∶杂合体∶亲本 2, 下同)的分
离比例符合 1∶2∶1 (表 4)。F2不同基因型单株的花
粉育性都较高, 且彼此间不存在差异(表 5)。这些结
果都说明灰背子在 Sa座位确实存在中性基因 San。
(2) Sb座位中性基因的判定。(灰背子×E237)杂
种 F1 的花粉育性平均为 71.18%, 与(灰背子×E238)
杂种 F1的花粉育性(71.31%)比较(表 2), 不存在显著
差异(表 3、图 2-E 和图 2-I)。此外, (灰背子×E231)
杂种 F1的花粉育性(53.49%)与(灰背子×E232)杂种 F1
的花粉育性(53.60%)几乎一致, 它们的结实率也一样,
都不存在显著差异。由此, 初步判断该材料在 Sb座位
可能存在中性基因 Sbn。进一步对其 F2三种基因型进
行检测, 分离比例符合 1∶2∶1 (表 4)。F2 不同基因
型单株的花粉育性高且彼此间不存在差异(表 5)。这
些都说明灰背子在 Sb座位也存在中性基因 Sbn。
进一步对 Sa和 Sb 2 个座位同时互作的杂种 F1
(灰背子×E234)进行分析, 该杂种 F1的花粉育性平均
为 77.04%, 与杂种 F1 (灰背子×E238)的花粉育性
(71.31%)比较, 不存在显著差异(表 3、图 2-G 和图
2-I)。另外, 对 Sa和 Sb双座位互作杂种 F2的分子标
记分离检测, 发现不管是 Sa还是 Sb, 分离比例均符
合 1∶2∶1 (表 4)。进一步验证了灰背子在 Sa和 Sb
座位的确同时存在 San和 Sbn。
1370 作 物 学 报 第 39卷


图 1 台中 65及其携带决定籼粳杂种花粉育性基因的近等基因系 Sa、Sb和 Sc座位基因型鉴定及待测材料可能基因型鉴定的电泳图
Fig. 1 Electrophoregram of genotypes of tested lines, Taichung 65 and its pollen-sterility near-isogenic lines at Sa, Sb, and Sc loci
E231~E238为携带决定籼粳杂种花粉育性基因的近等基因系, E231 (基因型为 SajSaj/SbjSbj/ScjScj), E232 (SajSaj/SbiSbi/ ScjScj), E233 (SaiSai/
SbjSbj ScjScj), E234 (SajSaj/ SbjSbj/SciSci), E235 (SaiSai / SbiSbi /ScjScj), E236 (SajSaj/ SbiSbi / SciSci), E237 (SaiSai / SbjSbj/ SciSci), E238 (SaiSai / SbiSbi /
SciSci), N101为饭毫皮, N103为秕五升, CC31为灰背子, ZB23为 Madhukar, ZB89为粤泰 B, E25为 Jackson, M为分子量标记。
E231−E238 represent Taichung65 and pollen-sterility near-isogenic lines. E231 (SajSaj/SbjSbj/ScjScj), E232 (SajSaj/SbiSbi/ScjScj), E233 (SaiSai/ SbjSbj ScjScj),
E234 (SajSaj/ SbjSbj/SciSci), E235 (SaiSai / SbiSbi /ScjScj), E236 (SajSaj/ SbiSbi / SciSci), E237 (SaiSai / SbjSbj/ SciSci), E238 (SaiSai / SbiSbi / SciSci); N101 represents
Fanhaopi; N103 represents Biwusheng; CC31 represents Huibeizi; ZB23 represents Madhukar and M indicates marker.

(3) Sc 座位基因属性的判断。(灰背子×E235)杂
种 F1 的花粉育性平均为 60.38%, 与(灰背子×E238)
杂种 F1的花粉育性(71.31%)比较, 存在显著差异(表
3、图 2-C和图 2-I), 说明该座位具有明显的互作, 进
一步对 F2代的分析发现, 3 种基因型的分离比例为
47∶40∶3, 不符合 1∶2∶1的分离比(表 4)。由此认
为灰背子在 Sc座位不存在中性基因。
对Madhukar测交 F1花粉育性进行检测, 其表现
与灰背子具有类似的情况, 其中 Sa和 Sb单个座位互
作的测交 F1的花粉育性与没有互作杂种 F1的不存在
显著差异(表 2和表 3), 它们 F2单株的分子标记分离
都符合 1∶2∶1 (表 4), 说明Madhukar在 Sa和 Sb座
位也同时存在 San和 Sbn。进一步对 Sa和 Sb 2个座位
同时互作的杂种 F1 (Madhuka×E236)进行分析, 该杂
种 F1 的花粉育性平均为 41.16%, 与杂种 F1 (Mad-
hukar×E237)的花粉育性(52.69%)比较, 存在显著差
异(表 2和表 3), 是否由于 2个座位互作的负效应引
起值得进一步研究。
Sc 座位互作的测交 F1 的花粉育性与对照的不
存在显著差异, 但 F2三种基因型不符合 1∶2∶1 的
分离比例(表 4), 显示 Madhukar 在 Sc座位不存在中
性基因。
2.2.3 饭毫皮
(1) Sa 座位中性基因的判定。(饭毫皮×E234)杂
种 F1 的花粉育性平均为 71.89%, 与(饭毫皮×E237)
杂种 F1的花粉育性(93.82%)比较, 存在显著差异(表
3、图 2-A和图 2-I), 由此认为饭毫皮在 Sa座位不存
在中性基因 San。
(2) Sb 座位中性基因的判定。(饭毫皮×E238)杂
种 F1 的花粉育性平均为 92.33%, 与(饭毫皮×E237)
杂种 F1 的花粉育性(93.82%)比较, 不存在显著差异
(表 2和表 3), 初步判断该材料在 Sb座位可能存在中
性基因 Sbn。进一步对其 F2的 3 种基因型进行检测,
符合 1∶2∶1的分离比(表 4)。F2不同基因型单株的
花粉育性高且彼此间不存在差异(表 5)。这些都说明
饭毫皮在 Sb座位存在中性基因 Sbn。
第 8期 李宏岩等: 从携带 S5n基因的水稻种质中发掘 San、Sbn和 Scn基因 1371


(3) Sc 座位基因属性的判断。(饭毫皮×E233)杂
种 F1 的花粉育性平均为 87.48%, 与(饭毫皮×E237)
杂种 F1的花粉育性(93.82%)比较, 差异不显著(表 2
和表 3)。进一步对 F2的分析发现, 3种基因型的分离
比例为 45∶84∶21, 不符合 1∶2∶1 的分离比(表
4)。由此认为饭毫皮在 Sc座位不存在中性基因。
2.2.4 秕五升
(1) Sa和 Sc座位基因属性的判断。(秕五升×E236)
杂种 F1 花粉育性平均为 78.30%, 与(秕五升×E238)
杂种 F1的花粉育性(87.70%)比较, 存在显著差异(表
3)。进一步对该座位杂种 F2单株进行分子标记分离
检测, 发现 F2 3种基因型的分离比例(39∶52∶9)不
符合 1∶2∶1 (表 4), 说明秕五升在 Sa座位不存在中
性基因。对 Sc座位的分析表明, 虽然其杂种 F1的花
粉育性与对照不存在差异, 但 F2 3 种基因型的分离
比例(58∶85∶6)不符合 1∶2∶1 (表 3), 说明该材料
在 Sc座位上也不存在中性基因。
(2) Sb座位中性基因的判定。(秕五升×E237)杂种
F1 的花粉育性平均为 72.79%, 与(秕五升×E238)杂
种 F1的花粉育性(87.70%)比较, 不存在显著差异(表
2 和表 3), 进一步对其 F2 分析 3 种基因型, 符合
1∶2∶1的分离比例(表 4)。说明秕五升在 Sb座位存
在 Sbn。
2.2.5 粤泰 B
(1) Sa和 Sc座位基因属性的判断。(粤泰B×E236)
杂种 F1花粉育性平均为 78.52%, 与(粤泰 B×E238)
杂种 F1 的花粉育性(59.53%)比较, 差异不显著(表
3)。进一步对该座位杂种 F2单株进行分子标记分离
检测 , 发现 F2 3 种基因型的分离比例 (1.00∶
1.61∶0.33)不符合 1∶2∶1 (表 4), 说明粤泰 B在 Sa
座位不存在中性基因。对 Sc座位的分析表明, 虽然
其杂种 F1的花粉育性与对照不存在差异, 但 F2 三种
基因型的分离比例 (1.00∶0.82∶0.01)也不符合
1∶2∶1 (表 3), 说明该材料在 Sc座位上也不存在中
性基因。
(2) Sb座位中性基因的判定。(粤泰 B×E237)杂种
F1的花粉育性平均为 57.44%, 与(粤泰 B×E238)杂种
F1的花粉育性(59.53%)比较, 不存在显著差异(表 2和
表 3), 进一步对其 F2分析 3种基因型, 符合 1∶2∶1
的分离比例(表 4)。说明粤泰 B在 Sb座位存在 Sbn。


图 2 不同座位等位基因互作杂种 F1花粉育性表现
Fig. 2 Pollen fertility of the F1s with differnet allelic interactions
A: Sa座位互作杂种 F1 (SaiSaj)的花粉半不育; B: Sb座位互作杂种 F1 (SbiSbj)花粉半不育; C: Sc座位互作杂种 F1 (SciScj)花粉的半不育; D: 具
San杂种 F1花粉育性正常; E: 具 Sbn杂种 F1花粉育性正常; F: 具 Scn杂种 F1花粉育性正常; G: 具 San和 Sbn双座位杂种 F1花粉育性正常;
H: 亲本正常花粉育性(对照); I: Sa、Sb和 Sc三个座位均无互作杂种 F1花粉育性正常(对照)。
A: semi-sterile F1 pollens with single allelic interaction at Sa locus; B; semi-sterile F1 pollens with single allelic interaction at Sb locus; C:
semi-sterile F1 pollens with single allelic interaction at Sc locus; D: normal F1 pollens carrying neutral allele San; E: normal F1 pollens carrying
neutral allele Sbn; F: normal F1 pollens carrying neutral allele Scn; G: normal F1 pollens carrying neutral alleles San and Sbn; H: normal pollens
of parents (control); I: normal pollens of F1 without interaction of Sa, Sb, and Sc loci (control).






表 2 待测材料与台中 65及其花粉不育近等基因系测交杂种 F1的基因互作座位类型、花粉育性和结实率
Table 2 Pollen fertility and seed setting rate of tested materials crossed with Taichung 65 and its pollen-sterile near-isogenic lines in F1 generation
花粉不育近等基因系 Pollen-sterile near-isogenic lines 材料
Material
项目
Item E231 E232 E233 E234 E235 E236 E237 E238
基因互作所在的座位 Pollen sterility loci with gene interaction Sc Sb, Sc Sa, Sc 无 No Sa, Sb, Sc Sb, Sc Sa Sa, Sb
花粉育性(%)±标准误 Pollen fertility (%)±SD 74.00±0.87 4.00±3.82 48.80±1.15 83.03±3.28 14.80±1.16 6.50±1.56 47.60±2.55 13.00±2.38
Jackson
结实率(%)±标准误 Seed setting rate (%)±SD 88.30±2.08 58.10±25.72 46.50±3.72 87.60±2.88 3.10±0.95 15.60±4.62 48.20±4.56 5.10±1.07
基因互作所在的座位 Pollen sterility loci with gene interaction Sa, Sb, Sc Sa, Sc Sb, Sc Sa, Sb Sc Sa Sb 无 No
花粉育性(%)±标准误 Pollen fertility (%)±SD 53.49±0.75 53.60±6.23 — 77.04±9.87 60.38±3.60 77.95±8.55 71.18±1.92 71.31±7.77
灰背子
Huibeizi
结实率(%)±标准误 Seed setting rate (%)±SD 80.51±0.33 81.59±1.90 — 79.33±4.57 80.40±4.68 79.82±3.92 77.84±1.84 75.30±0.91
基因互作所在的座位 Pollen sterility loci with gene interaction Sa, Sc Sa, Sb, Sc Sc Sa Sb, Sc Sa, Sb 无 No Sb
花粉育性(%)±标准误 Pollen fertility (%)±SD 45.40±2.06 36.52±2.80 45.63±4.13 50.93±1.97 53.46±4.19 41.16±1.91 52.69±1.74 51.96±1.37
Madhukar
结实率(%)±标准误 Seed setting rate (%)±SD 62.38±9.60 65.65±3.92 83.71±2.99 71.92±4.72 72.26±8.52 70.59±2.74 91.78±12.83 81.17±0.13
基因互作所在的座位 Pollen sterility loci with gene interaction Sa, Sc Sa, Sb, Sc Sc Sa Sb, Sc Sa, Sb 无 No Sb
花粉育性(%)±标准误 Pollen fertility (%)±SD 68.57±5.27 73.06±3.12 87.48±0.66 71.89±5.59 93.82±0.68 73.41±2.58 93.82±2.71 92.33±0.71
饭毫皮
Fanhaopi
结实率(%)±标准误 Seed setting rate (%)±SD 58.19±2.34 51.62±9.07 68.00±2.59 48.07±6.70 85.54±3.30 64.23±10.04 89.61±1.20 81.61±2.86
基因互作所在的座位 Pollen sterility loci with gene interaction Sa, Sb, Sc Sa, Sc Sb, Sc Sa, Sb Sc Sa Sb 无 No
花粉育性(%)±标准误 Pollen fertility (%)±SD 63.92±4.75 66.95±1.58 77.86±0.93 65.38±12.37 80.79±1.71 78.30±0 72.79±7.75 87.70±3.06
秕五升
Biwusheng
结实率(%)±标准误 Seed setting rate (%)±SD 74.04±3.04 84.77±2.57 94.39±0.55 88.64±2.87 91.86±0.70 75.49±0 85.96±2.95 89.06±3.49
基因互作所在的座位 Pollen sterility loci with gene interaction Sa, Sb, Sc Sa, Sc Sb, Sc Sa, Sb Sc Sa Sb 无 No
花粉育性(%)±标准误 Pollen fertility (%)±SD 39.96±19.23 38.00±7.07 49.49±4.88 59.45±6.00 50.38±14.85 78.52±2.25 57.44±1.03 59.53±8.78
粤泰 B
Yuetai B
结实率(%)±标准误 Seed setting rate (%)±SD 71.11±5.19 63.46±3.77 66.54±1.63 69.76±1.84 79.64±3.16 78.09±1.89 74.88±5.44 89.87±0.39
—: 表示数据缺失。—: No data.

第 8期 李宏岩等: 从携带 S5n基因的水稻种质中发掘 San、Sbn和 Scn基因 1373


表 3 待测材料在 Sa、Sb和 Sc座位互作杂种 F1与没有互作杂种 F1花粉育性的 t值比较
Table 3 T values of pollen fertility of F1s with and without interaction at Sa, Sb, and Sc loci
互作座位 Interaction loci 材料
Material Sa Sb Sc SaSc SaSb SbSc SaSbSc
Jackson 8.501** 20.970** 2.650 9.799** 17.227** 15.675** 19.530**
灰背子 Huibeizi 0.575 0.016 1.276 1.779 0.456 — 2.282
Madhukar 0.666 0.328 1.575 2.697 4.453* 0.171 4.905**
饭毫皮 Fanhaopi 3.532* 0.588 2.271 4.259* 5.455** 0.003 5.020**
秕五升 Biwusheng 3.071* 1.789 1.971 6.023** 1.751 3.076* 4.207*
粤泰 B Yuetai B 2.095 0.237 0.530 1.910 0.008 1.000 0.926
t0.05为 2.7764, t0.01为 4.6041。*表示与对照比较差异显著; **表示与对照比较差异极显著; —表示数据缺失。
t0.05 is 2.7764, t0.01 is 4.6041.* Significant at the 0.05 probability level; ** Significant at the 0.01 probability level; —: missing data.

表 4 待测材料与近等基因系测交杂种 F2群体各植株不育基因座位不同基因型的分离比例
Table 4 F2 segregation ratio of tested materials crossed with Taichung 65 and its pollen-sterile near-isogenic line
杂种名称
Name of hybrids
标记名称
Name of
markers
互作基因
座位
Loci
interaction
基因型 1①
个体数(株)
Plants with
maternal
genotype①
杂合体
个体数(株)
Heterozygous
plant
基因型 2②
个体数(株)
Plants with pa-
ternal genotype②
3种基因型的
分离比例
Segregation ratio
of these
genotypes
χ2 ③
是否符合
1:2:1
Accordance
with Mendelian
ratio (1:2:1)
Jackson×E231 P24-85.7 Sc 39 67 30 1:1.72:0.77 1.19 是 Yes
P24-100.7 Sc 39 66 28 1:1.69:0.72 1.84 是 Yes
Jackson×E236 A07-130 Sb 2 79 59 1:44.67:33.33 555.29 否 No
Jackson×E237 G02-148 Sa 7 59 77 1:8.56:11.11 142.83 否 No
Huibeizi×E235 P24-85.7 Sc 47 40 3 1:0.85:0.80 44.13 否 No
Huibeizi×E236 G02-148 Sa 41 74 33 1:1.80:0.80 0.86 是 Yes
G02-69 Sa 40 74 35 1:1.85:0.88 0.34 是 Yes
Huibeizi×E237 A07-130 Sb 21 43 21 1:2.05:1.00 0.01 是 Yes
A07-55 Sb 21 45 22 1:2.14:1.05 0.07 是 Yes
G02-148 Sa/SaSb 45 72 37 1:1.60:0.82 1.48 是 Yes Huibeizi×E234
A07-130 Sb/SaSb 39 76 37 1:1.95:0.95 0.05 是 Yes
Madhukar×E233 P24-85.7 Sc 73 38 37 1:0.52:0.51 52.54 否 No
Madhukar×E234 G02-148 Sa 37 84 36 1:2.27:0.97 0.78 是 Yes
G02-69 Sa 42 72 34 1:1.71:0.81 0.92 是 Yes
Madhukar×E238 A07-130 Sb 35 79 36 1:2.26:1.03 0.44 是 Yes
A07-55 Sb 36 77 37 1:2.14:1.03 0.12 是 Yes
Fanhaopi×E233 P24-85.7 Sc 45 84 21 1:1.87:0.47 9.84 否 No
Fanhaopi×E234 G02-148 Sa 29 64 28 1:2.01:0.97 0.42 是 Yes
G02-69 Sa 30 62 29 1:2.07:0.97 0.09 是 Yes
Fanhaopi×E238 A07-130 Sb 38 70 36 1:1.83:0.90 0.40 是 Yes
A07-55 Sb 37 74 38 1:2.00:1.03 0.02 是 Yes
Biwusheng×E235 P24-85.7 Sc 58 85 6 1:1.47:0.10 39.26 否 No
Biwusheng×E236 G02-148 Sa 39 52 9 1:1.33:0.23 18.16 否 No
Biwusheng×E237 A07-130 Sb 40 67 42 1:1.68:1.05 1.56 是 Yes
A07-55 Sb 42 66 36 1:1.57:0.86 1.40 是 Yes
Yuetai B×E235 P24-85.7 Sc 78 64 1 1:0.82:0.01 84.50 否 No
Yuetai B×E236 G02-148 Sa 51 82 17 1:1.61:0.33 16.72 否 No
Yuetai B×E237 A07-130 Sb 47 75 32 1:1.60:0.68 3.03 是 Yes
A07-55 Sb 50 79 31 1:1.58:0.62 4.63 是 Yes
①基因型 1指待测材料基因型; ②基因型 2指测交亲本(即近等基因系)基因型。③卡方临界值 5.99, 如果计算值<5.99, 就说明符合 1:2:1。
① “1” means the material genotype tested; ② “2” means the genotype of near iso-genic line. ③χ2 value is 5.99. If the count value is less
than 5.99, F2 segregation ratio of three genotypes is accordance with Mendelian ratio (1:2:1).
1374 作 物 学 报 第 39卷

表 5 待测材料与近等基因系测交杂种 F2不同基因型植株的花粉育性和结实率
Table 5 Pollen fertility and seed setting rate of different genotypic plants in the F2 generation of the tested materials crossed with
Taichung 65 and its pollen-sterility near-isogenic lines
测交组合
Combination
互作座位
Interaction loci
基因型
Genotype
花粉育性(%)±标准误
Pollen fertility (%)±SD
P值
P-value
结实率(%)±标准误
Seed setting(%)±SD
P值
P-value
Sc 3① 86.44±5.55 0.370 82.20±5.51 0.454
1① 91.61±4.38 75.00±3.98
Jackson×E231
2① 95.55±0.89 83.03±13.84
Sa 3 78.06±5.49 0.367 76.17±6.82 0.143
1 80.37±4.38 69.39±6.73
灰背子×E236
Huibeizi×E236
2 70.18±5.75 56.73±6.91
Sb 3 81.17±3.00 0.671 72.10±8.31 0.969
1 82.35±5.00 74.39±4.13
灰背子×E237
Huibeizi×E237
2 76.54±6.00 73.80±6.84
Sa 3 65.25±8.25 0.363 57.50±9.72 0.228
1 75.22±5.68 63.93±3.88
Madhukar×E234
2 78.40±5.83 73.30±3.42
Sb 3 87.55±4.16 0.827 71.85±6.12 0.448
1 87.13±3.46 82.09±3.64
Madhukar×E238
2 84.38±4.17 74.50±7.19
Sb 3 86.51±3.61 0.388 77.50±3.82 0.168
1 77.57±6.35 72.67±7.17
饭毫皮×E238
Fanhaopi×E238
2 79.47±3.80 59.95±7.96
Sa 3 68.96±3.54 0.004** 62.98±4.97 0.051
1 77.71±4.13 55.89±9.38
饭毫皮×E234
Fanhaopi×E234
2 86.83±2.40 80.94±6.12
Sb 3 80.05±4.91 0.482 71.17±6.07 0.639
1 80.88±3.43 70.90±4.91
秕五升×E237
Biwusheng×E237
2 86.36±3.32 77.10±4.46
Sb 3 65.67±5.55 0.200 73.32±5.36 0.228
1 76.56±4.45 64.66±8.47
粤泰 B×E237
Yuetai B×E237
2 77.52±5.06 79.92±3.45
①“3”指杂合基因型; “1”指待测材料的基因型; “2”指测交亲本(即近等基因系)的基因型。**表示 0.01水平差异显著。
① “3” indicated heterozygous genotype; “1” indicated the material genotype of tested materials; “2” indicated the genotype of near
iso-genic line. ** Significant at the 0.01 probability level.

3 讨论
花粉不育是限制栽培稻籼粳亚种间杂种优势利
用的最重要因素之一[10-13]。自从卢永根和张桂权提
出的“特异亲和基因”新观点以来, 已有大量的研究
表明, 籼粳杂种 F1花粉不育受多个基因座位互作决
定[4,11-13,22], 其中作用效应较为明显的主要是 Sa、Sb
和 Sc, 目前这 3 个座位的基因均已被精细定位[22-25],
而且 Sa 座位的基因已被成功克隆[10]。在对杂种 F1
花粉不育基因的分化研究中, 丁效华等[14-15]用粳型
亲籼系分别与典型籼稻和粳稻杂交, 根据杂种 F1花
粉可育程度分级, 发现其中 G2605 和 G2417-2-1 分
别与典型籼稻和粳稻杂交 F1花粉育性均较高, 由此
推断 , G2605 座位可能携带 Sb 的中性基因 Sbn,
G2417-2-1 可能携带 Sc的中性基因 Scn。但由于所用
测交亲本是典型的籼稻或粳稻 , 遗传背景不一致 ,
难以排除其他基因的干扰, 所以仍具有可深入探讨
之处。Shi等[16]以普通野生稻, 与台中 65及其 Sb座
位花粉不育近等基因系杂交, 观察杂种 F1的花粉育
性及检测 F2分子标记的分离情况, 结果认为广东高
州普通野生稻 GZW099可能携带 Sbn。该研究采用了
花粉不育近等基因系的材料作为测验种, 在较大程
度上排除测验种遗传背景差异大的干扰, 但由于普
通野生稻本身遗传背景的复杂性, 特别是具有高度
第 8期 李宏岩等: 从携带 S5n基因的水稻种质中发掘 San、Sbn和 Scn基因 1375


的杂合性, 增加了研究的难度。此外, 这些研究均没
有考虑胚囊不育可能造成的影响。
为了克服以上不足, 并希望能发掘出更多携带
籼粳杂种 F1花粉育性中性基因的水稻新种质, 本文
采用了我们发掘的一批携带 S5n 的水稻新种质为鉴
定基础材料(以尽可能减少胚囊不育可能产生的影
响), 从中选出 6 份可能具有花粉育性中性基因的材
料, 分别再与台中 65及其携带花粉不育基因 Sa、Sb
和 Sc座位的一套近等基因系测交, 利用与 Sa、Sb和
Sc 座位紧密连锁的分子标记, 检测待测材料和杂种
基因型, 获得具有单个座位、2个座位和 3个座位同
时互作的杂种, 在此基础上, 对单个座位互作和多
个座位同时互作的杂种 F1花粉育性进行调查, 初步
判定是否具有中性基因, 最后再对 F2分子标记的分
离比例符合度进行验证, 提高鉴定的准确性。研究
结果发现 6 份材料中有 2 份(灰背子和 Madhukar)同
时携带 San和 Sbn、3份(饭毫皮、秕五升和粤泰 B)携
带 Sbn和 1份(Jackson)携带 Scn。
在本研究所鉴定的材料中, 灰背子、饭毫皮和
秕五升是农家品种, 也是我国水稻微核心种质的材
料, Madhukar 是国际分子育种协作网核心材料, 它
们的遗传多态性都比较高 , 都携带 Sbn, 其中
Madhukar 和灰背子还同时携带 San, 有望克服大部
分籼粳杂种不育性[21], 所以可能成为克服籼粳杂种
不育性的重要基因来源。另外, 粤泰 B 是水稻保持
系品种, 该材料携带 Sbn, 暗示其相应的不育系粤泰
A 可能也携带 Sbn, 有望用于克服籼粳稻组配杂交稻
的不育性。Jackson 是优质的美国稻品种, 由于其携
带的 Scn是比较罕见的, 所以, 可以将其 Scn转到同时
携带 San和 Sbn材料中, 培育同时携带 San、Sbn和 Scn
的新材料, 以实现克服籼粳稻杂种不育性的目的。
有关问题值得进一步深入研究。
值得指出的是, 本研究发现有些材料与花粉不
育近等基因系测交 F1的花粉育性较高, 且与对照比
较差异不显著, 但 F2的基因型分离不符合 1∶2∶1。
出现这种不一致的原因可能由于不同材料不同座位
基因互作的机制不一致[26]。至于双座位互作杂种 F2
出现不一致的情况, 也可能与此有关。另外, Mad-
hukar 和粤泰 B 杂种 F1花粉育性均比其他具有中性
基因的材料低, 可能是其他座位基因互作引起的。
还有一个有趣的现象是, Jackson×E236 杂种 F2的偏
态分离是 jj和 ij的个体数增多, 而 ii的个体数减少,
与已有的研究结果不一致[11-13]。实际上, 我们也在
其他的组合中发现这种现象, 说明有普遍性。有关
问题值得进一步深入研究。
4 结论
所试验的 6份材料中, 灰背子和Madhukar同时
携带花粉育性中性基因 San和 Sbn; 饭毫皮、秕五升
和粤泰 B携带 Sbn; Jackson携带 Scn。进一步证明花
粉育性中性基因存在的真实性及意义。这 6 份材料
均携带克服杂种 F1胚囊不育的广亲和基因 S5n, 是克
服籼粳杂交 F1不育性的宝贵遗传来源。

致谢: 中国农业科学院国家农作物种质保存中心韩
龙植研究员、本校张桂权教授和李金泉副教授(现在
德国马普研究院植物育种研究所)提供部分材料。本
校刘耀光研究员提供部分SNP分子标记。实验得到
赵杏娟和俞淑红女士、博士生张鹏、硕士生陈鹏飞
和许肖松、本科生赖明华、李君城、康向辉、黄健
聪和刘国靖等的协助。在此一并致谢。
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