全 文 ：第27卷 第3期 作 物 学 报 V ol. 27, N o. 3
2001 年5月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA M ay, 2001
不育临界温度值不同的培矮64S 近等基因系选育Ξ
曾汉来 张端品
(华中农业大学农学系、作物遗传改良国家重点实验室, 湖北武汉 430070)
提 要 采用人工控制的系列温度条件, 对光温敏核不育水稻培矮64S25株系的高世代自交 (近交) 群
体进行单株雄性育性鉴定与系统选择, 再经10代自交纯化, 获得一套不育临界温度分别为23℃、24℃、
26℃和28℃的培矮64S 近等基因系。这套材料对研究水稻两用核不育系不育临界温度高低的遗传规律
和花粉的育性温度控制机理有重要意义, 其中不育临界温度为23℃的培矮64S 具有较好的不育稳定性
和遗传纯合性, 可直接应用于两系杂交水稻生产。
关键词 水稻雄性不育; 不育临界温度; 近等基因系; 两系法杂交水稻
D evelop ing Near Isogen ic L ines of D ifferen t Cr itica l M a le Ster ile Tem -
pera ture of Thermo-photoper iod Sen sitive M a le Ster ile R ice Pe ia i 64S
ZEN G H an2L ai, ZHAN G D uan2P in
(H uazhong A g ricultural U niversity , H ubei, W uhan 430070, China)
Abstract T he m ale fertility of the thermo2pho toperiod sensitive m ale sterile rice Peiai64S′
self2cross offsp ring p lan ts are iden tified under a series temperature conditions in a group of Phy2
to trons. T he m ale sterile p lan ts are selected under these differen t temperature conditions per gen2
erates. A fter 10 generates, w e ach ieved a group of near Isogen ic lines (N IL ) that w ith differen t
m ale sterile critical temperature, but the all o ther characters are the sam e. T h is N IL s include
P2364S, P2464S, P2664S and P2864S, and the m ale sterile critical temperature of them is
23℃, 24℃, 26℃ and 28℃. T h is N IL s are an importan t m aterials fo r studying the genetic rule
of m ale sterile critical temperature of sterile lines using to two2line hybrid rice, and the m echa2
n ism of p lan t′s m ale sterility induced by temperature. O therw ise, P2364S has a low critical tem 2
perature and has a stable sterility in h igh natural temperature season used as a sterile line. It has
a stable fertility in low er temperature (< 22℃) and sho rt dayligh t season to m ultip ly itself. It can
be carried out comm ercially fo r develop ing tow 2line hybrid rice.
Key words M ale sterile of rice; C riticalm ale sterile temperature; N ear Isogen ic lines (N IL ) ;
Tow 2line hybrid rice
选育实用型水稻光、温敏核不育系是发展两系杂交稻的基础, 较低的不育临界温度是不
育系保持不育稳定性的基本特性。不育临界温度即指不育系在一定光照条件下表现稳定不育
的最低温度, 亦称不育起点温度。不育临界温度较高的不育系要求在较高温度下才表现不
育, 而在自然生态条件下由于气温的不稳定性, 往往因其不育温度不能满足而转为可育, 因Ξ 863计划生物技术领域“八五”、“九五”重大项目研究课题资助 (编号: 8632101201203、Z16202201205资助)。
收稿日期: 1999208206, 接受日期: 2000204204
Received on: 1999208206, A ccep ted on: 2000204204
而这些不育系的应用范围较窄或没有实用价值。根据我国长江中、下游稻区的历年气温分
析, 我国专家将实用不育系的不育临界温度指标确定为24℃或以下, 这样的不育系在长日高
温季节作为不育系进行杂交种子生产时其不育性才是比较安全的[ 1 ]。
我国育种家利用光、温敏核不育基因作为不育基因供体转育成了一大批光、温敏核不育
系, 但多数不育系均存在不育临界温度在后代自交群体中发生不同程度的分离的现象, 使得
一份不育系经几个世代后, 发生平均临界不育温度逐代升高, 群体不育稳定性降低, 从而变
成不合格的不育系, 这是两系杂交水稻大面积快速发展的一大障碍[ 2 ]。为此, 袁隆平提出了
对一些已在生产上大面积应用的重要不育系, 经数代应用后进行再次低温选择, 生产“核心种
子”以阻止不育临界温度升高的设想[ 3～ 5 ]。“八五”期间本研究组接受了鉴定筛选培矮64S 核心
种子的任务, 对国家杂交水稻工程技术研究中心选育、已在生产上应用面积较大的培矮64S25
的高世代混合群体进行了育性低温鉴定选择, 并对选择出的各种类型不育株及后代育性表现
进行了相关研究, 经数年的工作获得了一套不育临界温度值不同的培矮64S 近等基因系。
1 材料与方法
1. 1 材料 培矮64S25, 国家杂交水稻工程技术研究中心育成[ 4 ] , 系培矮64S 中的一个株
系后代, 1995年5月由湖北省农业科学院提供当年海南春繁的生产用种。
1. 2 方法
1. 2. 1 不育性的温度鉴定方法 武昌自然条件下5月10播种, 3叶期移栽于16 cm ×20 cm
瓷钵中, 每钵5株, 置于盆栽场草地自然光温条件下生长。幼穗进入颖花原基分化期 (Ë 末)开
始进行不同的温度处理, 至花粉母细胞减数分裂末期结束, 再移至自然条件下抽穗。以温度
处理结束后7～ 12天内抽穗者为有效处理穗, 对有效处理穗逐穗进行花粉育性检测, 每穗取
当日抽出部分的颖花3～ 5个混合制片镜检, 同时套袋, 按穗编号, 25天后考查结实率, 每单
株观察3～ 5穗。
1. 2. 2 处理温度设置 用一组日光型植物生长箱进行不同温度处理, 该型生长箱由本研
究组与华中理工大学动力系合作设计制造, 通过省级成果鉴定, 控温精度±0. 5℃。采用自然
光照, 电脑程序自控温度, 每小时一个温度变量, 两温度变量间呈斜率式平均变化。根据自
然气温变化规律[ 3 ] , 日温差设为8℃, 最高温度设在14: 00, 最低温度设在5: 00。
1. 2. 3 育性判别标准 以花粉碘染率作为主要指标, 以自交结实率作为辅助指标。为严
格鉴定起见, 将可染花粉 (黑染花粉+ 浅染花粉) 作为可育花粉, 不染花粉作为败育花粉。单
株各穗平均败育花粉百分率大于99% 且自交结实率为0% 作为不育株标准。
1. 2. 4 近等基因系生态定向选择与纯化 对培矮64S25混合群体按单株编号, 在平均温度
为24℃的低温下选出全部不育株, 留稻蔸在更低温下或在海南冬繁获得每株后代种子; 对余
下的可育株稻蔸在24℃ö16h 光照下再生, 取基部再生小苗一蔸分栽为3份, 形成相同的3组,
于自然条件下生长, 至幼穗分化颖花原基分化期 (Ë 末) 分别进行平均温度为25℃、26℃、
28℃下的育性鉴定。找出各组处理温度下的不育株和可育株, 根据同一编号单株在3种温度
条件下的花粉育性表现, 划分该单株的起点不育温度。在各不育起点温度下的不育株中选择
株型及各外观性状典型一致的单株6～ 8株, 在冬季温室较低温度下按单株收取后代种子。第
二年在4种温度下对后代进行育性鉴定与性状选择, 第3代形成株系, 以后每代进行各株系40
～ 60株的小群体进行育性鉴定和选择, 逐代增加选择压力淘汰单株间差异较大的株系, 评价
253 作 物 学 报 27卷
株系内不育临界温度的遗传稳定性, 至第6代决选基本稳定的株系各1个。各代选择中注意保
持各株系间不育最低温度特性差异, 同时保持其它性状的相同, 目前已繁殖10代并进行第9
代的育性稳定性鉴定。
2 结果与分析
2. 1 供试培矮64S-5混合群体的育性分离状况 不同温度下对培矮64S25进行单株育性鉴
定的花粉育性结果如表1。较低温度 (24℃) 条件下, 培矮64S25混合群体的单株之间育性差异
明显, 其花粉可染率变化范围为0. 00～ 27. 00% , 随处理温度升高可育株数减少, 在26℃时只
有极小比例低可育株, 在较高温度 (28℃) 下各单株才表现育性的一致性, 群体才能达到全不
育水平。说明供试材料的平均不育临界温度已达26℃或以上, 远高于该不育系通过鉴定时的
24℃不育临界温度值[ 4 ] , 已属不合格不育系。在24℃下仍有较大比例完全不育株, 表明群体
的不育临界温度的升高在单株间不是均一变化的, 同时, 在某一较低温度下表现可育的单株
在另一较高温度下仍能表现不育, 所有的“可育株”中没有出现常规可育株, 说明它们仍保持
育性转换的基本特性, 单株间的这种育性差异仅是不育起点温度的不同。当温度为26℃或以
上时, 基本达到实用要求, 表现群体不育。
表1 不同温度下培矮64S-5混合群体的单株育性组成3 (1995年)
Table 1 The fertil ity classif ication of Pe ian64S-5 plants under different temperature conditions(1995)
温度
(℃)
Temp.
花粉碘染率 Pollen fertility (% )
0. 00 0. 10～ 0. 50 0. 50～ 5. 00 5. 00～ 20. 00 > 20. 00
群体平均
可染花粉
M ean pollen
fertility (% )
群体平均
结实率
M ean seed
set %
24℃ 593 3 77 80 22 3 9. 18 2. 58
25℃ 112 88 36 5 0 3. 22 1. 46
26℃ 226 12 3 0 0 0. 37 0. 12
28℃ 238 3 0 0 0 0. 12 0. 00
3 总株数为241株 3 The sum p lant is 241; 3 3 单株数 3 3 P lant num bers
2. 2 不育临界温度性状的选择效果 在24℃下选择出的完全不育株繁殖种子按株单收并
将稻蔸保存过冬, 次年对再生苗群体和后代种子苗组成的新群体进行育性鉴定, 结果见表2。
不育株后代新群体表现为群体低温不育, 基本达到亲本不育株无性后代的育性水平, 再生不
育株在低温鉴定中又有少数株表现低度可育, 可能是前次鉴定中的误选或两次鉴定条件或植
株生长状况差异所致, 而不育株自交后代中出现的低度可育株来源则可能还与遗传分离有
关。但就鉴定群体来说其纯度已达不育系利用所要求的标准。本结果证明低不育临界温度特
性能遗传到下代, 对低不育临界温度性状的选择是有效的, 同时也说明一次低温选择不够。
表2 中选低温不育株自交后代在24℃下的育性鉴定 (1996年)
Table 2 The spikelet fertil ity of the off spr ing plants of low temperature ster ile plants in 24℃ phytotron (1996)
材料
P lants
鉴定株数
N um ber of
tested p lants
不育株数
N um ber of
sterile p lants
可育株数
N um ber of
fertile
p lants
可育株平均结实率
M ean seed set
of fertile
p lants(% )
群体平均结实率
M ean seed set
of all tested
p lants(% )
低温不育株再生稻 40 36 4 1. 22 0. 12
Parents p lants
低温不育株自交后代 94 81 13 1. 85 0. 28
O ffsp ring p lants
3533期 曾汉来等: 不育临界温度值不同的培矮64S 近等基因系选育
2. 3 各不同株系后代的不育临界温度性状稳定过程 将表2中, 24℃下中选的不育株再进
行23℃处理, 选出23℃下的不育株, 记为 P2364S, 其余不育株记为 P2464S; 依表1中不同温
度下的育性结果分别确定26℃下不育的单株记为 P2664S; 28℃下的不育单株记为 P2864S。
这些中选单株具有不同的不育起点温度特性。依株型、生育期和各农艺细微特征相同的原
则, 各选其中5～ 8株作为核心单株, 无性繁殖保存, 同时自交繁殖第1代种子。按系谱法选择
程序进行后代不同温度下育性鉴定, 直至不育临界温度性状不发生分离, 第6代各决选其中1
个株系进行下一轮鉴定。表3列出了各株系部分世代在4种温度下的不育性动态变化情况。
表3 各不同临界温度的株系后代在不同温度下的
不育株分布 (1995～ 1998年)
Table 3 Number of ster ile plant of 4 l ines at different
generates in a ser ies temperature treatments(1995～ 1998)
材料
L ines
世代数ö总株数
No. of generateö
Total p lants
23℃ 24℃ 26℃ 28℃
自然高温 (30. 5℃)
In natural h igh
temperature
P2364S 1 40 35 38 40 40 40
2 40 37 39 40 40 40
3 40 39 40 40 40 40
4 40 40 40 40 40 40
5 40 40 40 40 40 40
6 80 80 80 80 80 40
P2464S 1 40 6 28 35 39 40
2 40 2 34 38 40 40
4 40 0 39 40 40 40
6 80 0 80 80 80 40
P2664S 2 60 0 4 42 55 60
4 60 0 1 58 60 60
6 80 0 0 79 80 60
P2864S 2 60 0 0 7 53 60
4 60 0 0 1 59 60
6 80 0 0 1 79 60
从表3可以看出各株系
经多代温度定向选择, 其不
育株分布逐代向所选定的临
界温度集中, P2364S 在第3
代已基本稳定, 在第4代后
群体已完全在23℃不育。其
它株系在第4代时已基本稳
定。
2. 4 各株系间的不育性、
自交繁殖可育性及生育期特
性 比 较 4 个 株 系 在
23. 5℃下各80株的平均花粉
育性、1998年海南陵水繁殖
自交结实率、自然条件下在
武昌5月10日播种的播种至
始穗历期数据列于表4。23.
5℃下各株系花粉育性差异
明显, P2364S 处于其不育
临界温度以上的温度条件
下, 表现完全败育, 其它3个株系因环境温度低于其不育临界温度则表现不同程度可育,
表4 各株系育性和生育期特性比较 (1997～ 1998年)
Table 4 The ster il ity、fertil ity and days from sowing
to ear ing of 4 l ines in different conditions (1997～ 1998)
株系
L ines
23. 5℃
花粉败育度 (% )
Pollen sterility
in 23. 5℃
海南繁殖
结实率 (% )
Seed set %
in Hainan
播始历期 (天)
Days of
sow ing to
earing
P2364S 100. 00±0. 00 36. 54 84
P2464S 97. 72±0. 86 38. 68 84
P2664S 89. 22±1. 59 45. 65 83
P2864S 68. 54±3. 42 58. 28 83
其中 P2864S 表现较高可育。4个株系株
系内标准差都极小。在陵水短日可育温
度条件下, 4个株系的自交结实性差异
也大, 不育临界温度低 P2364S 的结实
性对温度反应敏感, 而临界温度高的材
料结实性受温度影响相对较弱, 结实性
高低也反映出各株系的不育临界温度差
异特性。各材料在自然条件下的生育期
相同, 其它性状也无异同, 4份材料只
存在育性对温度反应的差异。
453 作 物 学 报 27卷
3 讨论
3. 1 培矮64S 的不育临界温度上升的原因 本研究表明, 不育临界温度已升高的培矮64S
混合群体中仍存在较大比例的低不育临界温度单株, 不育临界温度上升只是群体平均值的上
升, 单株间不是均一同步变化的, 实持上是单株间不育临界温度性状的分离。对临界温度性
状的选择有效又说明该性状是能遗传的。故可推测: 原不育系的基因型存在杂合性或单株间
存在遗传异质性。这种不育系在自交 (近交)后代中发生遗传重组产生了不同的新的基因型单
株。但这些不同的基因型之间在遗传背景上高度一致, 农艺性状及其它表型也一致, 只在不
育临界温度性状上存在一定差异, 其高世代自交 (近交) 群体就是由这些不同基因型组成的混
系。混系群体内不同的单株间再近交重组, 加上在不育系繁殖中, 临界温度高的单株繁殖系
数高, 这种遗传重组与自然选择加速了不育系群体水平上的不育临界温度的较大差异。
3. 2 不育临界温度不同的培矮64S 近等基因系选育的意义 经10代连续定向温度选择和
农艺性状选择, 培矮64S 中这套不育株系在农艺性状、生育期和育性临界温度特性上已稳定。
它们来自同一不育系培矮64S 的高世代株系培矮64S25的后代, 除了控制不育临界温度的遗传
因子外, 遗传背景基本相同, 故可将它们视为具有不同临界温度特性的近等基因系或等基因
系。
这套近等基因系间育性温度反应特性差异明显, 但仍属于具有明显育性转换特性的光温
互作型不育系[ 6, 7 ], 在长光照、28℃以上均可表现完全败育。它们的主效不育基因来源于农垦
58S 的光敏核不育基因, 但控制主效不育基因完全表达所需温度条件的遗传因子存在差异。
因此, 在光、温敏核不育系选育中, 不仅要首先对主效光、温敏不育基因控制的育性转换特
性进行鉴定与选择, 还要对控制临界温度高低的遗传因子进行选择, 获得基因型纯合的低不
育临界温度不育株系, 才能保证其自交后代的遗传稳定性与不育性稳定性。
研究不育临界温度高、低的遗传组成对指导低起点温度不育系选育是重要的, 本套近等
基因系为不育系不育临界温度差异的遗传机理研究提供了独特的材料, 可消除在研究中因遗
传背景差异产生的干扰。利用这套材料可用常规遗传学研究方法分析不育临界温度高低的遗
传组成和方式, 进而进行它们之间的DNA、RNA 分子差异或生理生化差异标记用于建立低
不育临界温度性状的辅助选择技术, 还可研究雄性不育基因表达的遗传控制机理。
近等不育系中的 P2364S 是一份已稳定的低不育临界温度不育系, 其配合力等综合性状
与原培矮64S 无异, 具有实用价值, 可作为核心种子替代生产上现有的培矮64S, 直接应用于
两系杂交稻生产。
参 考 文 献
1 张自国, 卢兴桂, 袁隆平. 杂交水稻, 1992, (6) : 29～ 32
2 卢兴桂. 高技术通讯, 1992, (5) : 1～ 4
3 袁隆平. 杂交水稻, 1994, (6) : 1～ 3
4 白德朗, 罗孝和. 湖南农业科学, 1995, (6) : 6～ 8
5 袁隆平, 李继明. 湖南农业科学, 1995, (6) : 4～ 5
6 曾汉来, 张自国, 卢兴桂等. 华中农业大学学报, 1995, 14 (2) : 105～ 110
7 曾汉来, 张端品, 张自国等. 作物学报, 1997, 23 (6) : 693～ 698
5533期 曾汉来等: 不育临界温度值不同的培矮64S 近等基因系选育