全 文 ：第26卷 第4期 作　物　学　报 V ol. 26, N o. 4
2000 年7月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA July, 2000
同源四倍体高粱不育系和保持系的生物学及生理特性研究X
蒋观敏1　罗耀武1　李吉吉浩2
(1河北农业大学农学院, 河北保定　071001; 2韩国晋州产业大学)
提　要　以二倍体高粱不育系及其保持系和由它们诱变成的同源四倍体选系为材料, 研究了同源四倍
体不育系和保持系的生物学特征及生理特性, 结果发现, 四倍体的株高一般为二倍体的80. 6%～
90. 1% , 单株总叶片数减少1～ 2片; 保持系加倍后, 顶部三叶面积增加4. 6%～ 9. 4% ; 不育系的花药
由二倍体时的白色变为四倍体的淡黄色, 由完全空瘪变为有花粉粒败育后的残余物, 四622A 21的花药
中有45. 1% 的花粉粒有活力; 叶绿素 a、b 含量的变化趋势与二倍体相同, 但在多数情况下前者高于后
者, 而 a ö b 比值则是四倍体低于二倍体; 四倍体在生长发育的早期净光合速率高于二倍体。
关键词　高粱; 同源四倍体; 不育系; 叶绿素; 光合速率
Biolog ica l and Physiolog ica l Fea tures of M a le- ster ile and M a in tenance
L ines of Autotetraplo id Sorghum
J IAN G Guan2M in1　LUO Yao2W u1　L I Zhe2H ao2
(1 College of A g ronom y , A g ric. U niv. of H ebei, B aod ing 071001; 2 Ind ustrial U niv. of J inzhou, S outh K orea)
Abstract 　 A comparative study on the bio logical and physio logical features betw een
auto tetrap lo id and dip lo id so rghum m ale2sterile (A ) and m ain tenance (B ) linesw as fulfilled. T he
results show ed that p lan t heigh t of tetrap lo id A lines and B lines w as on ly 80. 6%～ 90. 1% of
that of dip lo id ones and the leaf num ber per p lan t decreased by one to two. But the to tal leaf area
of top th ree leaves of tetrap lo id B lines increased by 4. 6%～ 9. 4%. T he an ther co lo r of tetrap lo id
A lines becam e yellow y from w h ite of dip lo id. In the an thers of T 622A 29, there w ere on ly som e
rem ainsw h ile in that of T 622A 21, more than 45. 1% of po llen grain sw ere active. T he change of
con ten ts of ch lo rophyll a, b and a+ b in tetrap lo id linesw as the sam e as in dip lo id ones. In most
cases, the con ten ts of ch lo rophyll a, b in tetrap lo id w ere h igher than that in dip lo id w hereas the
specific values of a ö b w ere low er. A t the early developm en t stage, the h igher pho tosyn thetic
rates in tetrap lo id lines w ere observed than in dip lo id lines.
Key words　Sorghum; A uto tetrap lo id; M ale2sterile line; Ch lo rophyll; Pho tosyn thetic rates
常见的栽培高粱 (S org hum bicolor (L. ) M oench) 是二倍体 (2n= 2x= 20) , 其蛋白质含量
一般为10% 左右[ 1 ]。加倍成四倍体以后, 蛋白质含量可增加到13. 16%～ 13. 82% [ 2 ]。同时千
粒重可提高23% 左右[ 3 ] , 茎秆、叶宽、叶厚、叶色等性状亦表现出对产量有益的变异。这些是
高粱多倍体育种区别于常规育种的突出特点。
自1946年Ch in 诱导成功栽培高粱的第一个同源多倍体以来[ 4 ] , 各国学者又相继进行了
X 国家自然科学基金资助课题
收稿日期: 1998207217, 接受日期: 1999205201

大量的诱导、杂交选育和细胞遗传学研究[ 5～ 8 ] , 并对影响结实率的原因进行了许多有益的探
讨[ 9～ 13 ]。他们面临的问题是共同的, 即同源四倍体的育性很难达到生产的要求。在二倍体高
粱生产中, 以核2质互作雄性不育及其三系配套为基础的杂交育种和杂种利用一直是育种研
究的主要内容。但在80年代以前, 一直未见将高粱不育系及其保持系诱导成四倍体的成功报
道。罗耀武等 (1985) 在诱变成功一系列高粱品种的基础上, 又首次将2对高粱质2核互作雄性
不育系及其保持系先后诱变成了同源四倍体, 在国际上第一次实现了植物四倍体水平上的三
系配套[ 2, 3 ]。以四倍体不育系为母本与恢复系配制的四倍体杂种 F 1, 无论在农艺性状上还是
在生长势上都表现出强大的杂种优势。本文探讨同源四倍体不育系及其保持系的生物学和生
理特性, 为评价同源四倍体高粱生产潜力及其杂种优势预测提供依据。
1　材料与方法
1. 1　供试材料
1对二倍体雄性不育系及其保持系: 二622A 和二622B; 2对同源四倍体雄性不育系及其
保持系选系: 四622A 21和四622B 21、四622A 29和四622B 29。它们均来源于二622A (B)。
1. 2　试验方法
定苗后各品系分别选取生长健壮、形态上相对一致的植株10～ 12株, 标记叶位并编号,
按编号顺序取样。
1. 2. 1　叶面积调查　　抽穗后取样3株, 分别测其顶部三叶长度和宽度, 计算叶面积[ 14 ]。
1. 2. 2　花粉生活力测定　　采用 Sangduen 的方法[ 12 ]。用0. 5% 醋酸洋红对成熟花粉粒进行
染色镜检, 每个测试材料随机观察200个花粉粒, 以圆形且染色后呈红色的为有活力的花粉
粒, 统计其百分率作为花粉育性指标。
1. 2. 3　光合速率的测定　　用BAU 型光合速率测定仪测定。分别于六叶期、九叶期和十二
叶期测顶部展开叶 (叶耳距下部相邻叶片叶耳5 cm 左右)光合速率。测定选在晴天的8 ÷ 00～ 10
÷ 00进行, 重复3次。
1. 2. 4　叶绿素的提取与测定　　分别在六叶期、九叶期和十二叶期测定顶部新展叶片的叶
绿素 a、b 含量 (叶龄标准同光合速率测定) , 上午9 ÷ 30～ 10 ÷ 00取样, 用打孔器在每片叶上均
匀取6片样品置于试管中, 加入8 mL 浸提液 (无水乙醇 ÷ 丙酮= 1 ÷ 1) , 封口膜封口, 在室温黑
暗条件下抽提24 h。重复3次。
用751型分光光度计测定663 nm 和645 nm 处的消光值。
2　结果与分析
2. 1　生物学特性的比较
以二倍体不育系二622A 及其保持系二622B 为对照, 对由它们加倍形成的四倍体不育系
四622A 21和保持系四622B 21以及经过系统选择得到的四622A 29和四622B 29的主要生物学特
征特性和育性进行了综合评价, 结果列于表1。从中可以看出, 二倍体不育系及其保持系加倍
成同源四倍体以后, 株高明显降低, 四622A 21和四622B 21的株高分别由二倍体的141. 0 cm 和
149. 8 cm 降至118. 7 cm 和120. 7 cm , 仅为二倍体株高的84. 2% 和80. 6%。选系四622A 29和
四622B 29的株高较四622A 21和四622B 21虽有所提高, 但仍然低于二倍体。四倍体的总叶片数
也由19～ 20片减少至18～ 19片。二622A 加倍成四倍体后, 顶部三叶面积增加不明显, 而二
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622B 加倍后其顶部三叶面积明显增大, 四622B21和四622B29比二622B 分别增加4. 6% 和9.
4%。
表1　　同源四倍体和二倍体不育系及其保持系的生物学特性及育性表现
Table 1　　Agronom ic tra its and fertil ity features of autotetraplo id male- ster ile and ma intenance l ines
and the ir diplo id counterpart
品系
L ines
株高
P lant
heigh t
(cm )
叶片数
No. of
leaves
顶部三叶面积
A rea of top
three leaves
(cm 2)
花药颜色
A nther
co lor
花粉粒育性
Pollen
fertility
(% )
自交结实率
Selfing
seed set
(% )
二622A (D 622A ) 141. 0 19 313. 3 白 (w hite) 0. 0 0. 0
二622B (D 622B) 149. 8 20 302. 0 深黄 (yellow ) 94. 2 96. 0
四622A 21 (T 622A 21) 118. 7 18 317. 2 淡黄 ( ligh t yellow ) 45. 1 0. 2
四 622B21 (T 622B21) 120. 7 18 315. 9 黄 (yellow ) 92. 9 82. 8
四622A 29 (T 622A 29) 127. 0 18 321. 6 淡黄 ( ligh t yellow ) 0. 0 0. 0
四622B29 (T 622B29) 135. 0 19 330. 4 黄 (yellow ) 71. 2 46. 5
从表1还可以看出, 6份材料在花药颜色、花粉粒育性及自交结实率上均存在明显的差
别, 其中以自交结实率的差异尤为明显。二622A 的花药全部为白色, 内部空瘪, 经醋酸洋红
染色后无任何花粉粒残余物, 一直未发现自交结实现象。而二622B 的花药为深黄色, 形态饱
满, 能完全开裂散粉, 有活力的花粉粒达94. 2% , 其自交结实率为96. 0%。2个四倍体不育系
的花药明显大于二倍体, 细胞学鉴定证明, 二者都是完整的四倍体, 颜色由二倍体时的白色
变为淡黄色。其中四622A 21的花药较饱满, 45. 1% 的花粉粒可被染成红色, 说明二倍体不育
系加倍后, 花药中不仅可形成完整的花粉粒, 而且有相当一部分具有活性, 从而降低了不育
系的不育性。但因为能开裂散粉的花药数量较少, 自交结实率较低, 仅为0. 2%。经过连续多
代系统选择, 四622A 29的不育性逐渐提高, 其花药体积较小, 内部空瘪, 几乎无内含物, 育
性为0。这说明对原始四倍体不育系和保持系进行系统选择可以使不育系的不育特性得到改
良, 能够符合杂交制种要求。
2个四倍体保持系的花药则为黄色, 四622B 21的花粉粒育性达92. 9% , 接近二倍体水平,
自交结实率为82. 8% ; 四622B 29的花粉育性较低, 仅为71. 2% , 自交结实率为46. 5%。
2. 2　叶绿素含量的比较
分别对上述材料的六叶、九叶、十二叶期和挑旗期的叶绿素含量进行了测定分析, 结果
列于表2。
叶绿素含量 (a、b、a+ b)和 a ö b 在不同发育时期有一定差异。随着植株的生长发育, 单位
叶面积叶绿素 a 和叶绿素 b 含量逐渐增加, 到十二叶期达到最大值, 其后开始下降, 旗叶中
含量明显减少, 且叶绿素 a 降低幅度大于叶绿素 b。叶绿素 a+ b 含量的变化趋势同叶绿素 a
和叶绿素 b。
叶绿素 a ö b 值随着叶位上升表现下降的趋势, 以六叶、九叶期最为明显。九叶期之后, a ö
b 值继续下降, 但变化不明显。
叶绿素含量和 a ö b 值在供试材料之间有极明显差异。在所研究的4个时期中, 四622A 21
和四622B 21的叶绿素含量均明显高于其相应的二倍体材料; 四622A 29和四622B 29的叶绿素含
量在六叶至十二叶期与二倍体不育系和保持系间的差异不明显, 至挑旗期时, 叶绿素 a 和叶
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绿素 b 含量才明显高于二倍体材料。由此看出, 四倍体与二倍体之间的差异在挑旗期表现最
为明显 (表2)。四622A (B ) 21与四622A (B) 29相比, 叶绿素含量在研究的各个时期均表现为前
者高于后者。
表2　　同源四倍体和二倍体不育系及其保持系叶绿素含量及 a ö b 值
Table 2　　Chlorophyll a and b content and a ö b ratio of autotetraplo id and diplo id male- ster ile and ma intenance l ines
发育时期
Develop ing
stage
叶绿素含量
Chlorophyll
content (m g ö cm 2)
二 622A
D 622A
二622B
D 622B
四622A 21
T 622A 21
四622B21
T 622B21
四622A 29
T 622A 29
四622B29
T 622B29
a 35. 14 35. 29 36. 843 37. 733 3 33. 63 33. 143
62leave b 8. 30 8. 37 9. 683 10. 713 3 9. 473 9. 18
stage a+ b 43. 44 44. 26 46. 523 48. 443 3 43. 10 42. 32
a ö b 4. 23 4. 22 3. 81 3. 523 3. 553 3. 61
a 38. 89 41. 54 40. 393 40. 463 37. 88 37. 04
92leave b 10. 92 11. 94 13. 003 13. 213 12. 00 11. 90
stage a+ b 49. 81 53. 48 53. 393 53. 67 49. 88 48. 933
a ö b 3. 56 3. 48 3. 11 3. 063 3. 163 3. 11
a 43. 67 44. 17 50. 543 3 47. 863 42. 83 46. 37
122leave b 13. 59 12. 88 15. 683 14. 923 14. 08 14. 39
stage a+ b 57. 26 57. 05 66. 223 3 62. 783 56. 91 60. 763
a ö b 3. 21 3. 43 3. 22 3. 21 3. 04 3. 22
a 30. 73 34. 35 43. 483 3 44. 213 3 39. 243 3 41. 483 3
F lag2leave b 10. 48 10. 68 15. 003 3 14. 233 3 12. 973 14. 023
stage a+ b 41. 21 45. 02 58. 493 3 58. 443 3 52. 213 3 55. 513 3
a ö b 2. 93 3. 22 2. 90 3. 11 3. 03 2. 96
　　3 、3 3 : 分别表示以相应二倍体材料为对照时差异显著 (A= 0. 05)和极显著 (A= 0. 01)。
在研究的4个时期中, 叶绿素 a ö b 值均表现为四倍体低于二倍体, 且在六叶期和九叶期分
别达到显著水平, 说明四倍体在光合能力和光合反应特性上与二倍体之间有一定的差别。2
对四倍体材料之间 a ö b 值在所有时期均无明显差异 (表2)。
2. 3　光合速率的比较
二倍体高粱不育系及其保持系加倍成同源四倍体后, 叶片净光合速率呈增加趋势, 尤其
在生长发育的早期, 变化更为明显 (表3)。六叶期, 四622A 29和四622B29以及四622A 21的光
合速率均显著高于二倍体; 九叶期, 所有四倍体材料均高于二倍体。但生长发育后期, 尤其
是旗叶的光合速率则以二倍体表现最高, 2对四倍体材料中有3个材料明显低于它们的二倍体
品种, 说明同源四倍体高粱不育系和保持系在光合速率上的增效可能只表现在生长发育
表3　　同源四倍体和二倍体不育系及其保持系不同时期净光合速率 (LmolCO2ı m - 2s- 1)
Table 3　　Photosynthetic rate of autotetraplo id and diplo id male- ster ile and ma intenance l ines at
different developing stages
发育时期
Develop ing stage
二622A
D 622A
二622B
D 622B
四622A 21
T 622A 21
四622B21
T 622B21
四622A 29
T 622A 29
四622B29
T 622B29
62leave stage 50. 71 54. 88 　　58. 463 3 　　52. 34 　　65. 133 3 　　72. 523 3
92leave stage 35. 35 39. 33 44. 543 3 42. 423 47. 443 3 48. 863 3
122leave stage 41. 58 44. 74 47. 223 42. 65 40. 92 48. 573
F lag2leave stage 40. 32 37. 87 34. 553 32. 75 33. 813 36. 92
7444期　　　　　　蒋观敏等: 同源四倍体高粱不育系和保持系的生物学及生理特性研究　　　　　　　　

早期, 而旗叶的光合速率则表现负效应。在3对不育系与其保持系之间, 光合速率在不同时期
均未表现出规律性的差别。
3　讨论
人工诱导植物多倍体的研究已有50多年, 各国学者的研究主要集中在诱导方法、诱变鉴
定和诱变效果等方面[ 8, 15 ]。其中, 谷类作物主要集中在多倍体的细胞学研究和育性改良
上[ 3, 7, 13, 16 ] , 对同源多倍体的生物学特征特性研究较少。
自从第一个同源四倍体高粱不育系及其保持系诱导成功以来, 罗耀武等对其育性改良和
应用的可能性进行了多年的研究和探索, 对其配制的各类杂种在细胞学上和育性上的改进进
行了深入研究[ 2, 3, 9 ]。
本文对二倍体高粱不育系加倍后不育性发生改变的现象进行了研究。证明通过对保持系
及其不育系同时进行系统选择, 有可能从不育性较差的不育系中得到结实率接近零的材料。
但其花粉育性仍未能达到对应二倍体的不育水平。对此仍需深入研究, 以探讨使其不育性达
到二倍体水平的可能性。
在所研究的4个时期中, 同源四倍体不育系、保持系单位叶面积的叶绿素 a、b 及 a+ b 含
量大多高于其二倍体, 单位叶面积净光合速率也有基本相同的变化趋势, 这可能与四倍体叶
片厚度有关[ 2, 10, 15 ]。但四倍体材料叶绿素 b 的增加幅度大于叶绿素 a, 使叶绿素 a ö b 值低于
二倍体, 这可能有重要的生物学意义[ 17 ]。由此引起的光合特性改变也需进一步研究, 从而为
多倍体的遗传调控提供理论依据。
参　考　文　献
1　宋高友, 张纯慎, 苏益民等. 辽宁农业科学, 1987, (3) : 1～ 7
2　罗耀武, 阎学忠, 陈士林等. 遗传学报, 1985, 12 (5) : 339～ 343
3　L uo Y W , Y Z Yan, J Y Zhang et al. P lant B reed ing , 1992, 109: 46～ 53
4　Chin T C. A m er J B ot, 1946, 33: 611～ 614
5　Doggett H. N ature, 1957, 179: 786
6　M agoon M L. T he N ucleus, 1968, 11 (1) : 19～ 33
7　M iranda J H. A m er R es J of K erala, 1979, 17 (2) : 208～ 216
8　Ram an V S. S orghum N ew sletter, 1979, 212: 8～ 11
9　张继益, 蒋观敏, 罗耀武. 见: 何中虎主编. 第三届全国青年作物遗传育种学术会论文集. 北京: 中国农业科技出版
社, 1995. 443～ 447
10　Doggett H. H ered ity , 1964, 19: 403～ 417
11　Doggett H , B N M ajisu. E uphy tica, 1972, 21 (1) : 86～ 89
12　Sangduen N , W W Hanna. J of H ered ity , 1984, 75: 293～ 296
13　张继益, 蒋观敏, 罗耀武. 华北农学报, 1997, 12 (3) : 1～ 6
14　李雁鸣. 河北农业大学学报, 1993, 16 (3) : 31～ 35
15　Dew ay D R (鲍文奎等译). 多倍体在植物和动物中的地位. 北京: 科学出版社, 1979. 343
16　Hossain M. H ered ity , 1975, 81: 141～ 152
17　梅镇安, 高忠儒, 毛春云等. 植物生理学报, 1965, 2 (3) : 179～ 184
844　　　　　　　　　　　　　　　　　作　　物 　　学　　报　　　　　　　　 　　　　　　　　26卷