全 文 ：第 26 卷 第 2 期 作　物　学　报 V o l. 26, N o. 2
2000 年 3 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA M ar. , 2000
带遗传标记的玉米基因雄性不育的发现及遗传和利用研究X
林晓怡XX　 杨典洱 　林建兴XXX
(中国科学院遗传研究所, 北京 100101)
提　要　1992 年在玉米族远缘杂交组合 3402F 3 (丹 340×40322) 中首次发现带标记性状的基因雄性不
育 (GM S)材料。遗传分析结果表明, 不育性受一对隐性基因控制。当不育株 (A )与可育株 (B )进行兄妹
交, 育性分离比例接近 1∶1; 而可育株 (B) 自交的后代, 可育株与不育株的分离比例为 3∶1。连锁遗
传分析结果证明, 不育基因 (m s°) 与标记性状基因 (p lf ) 紧密连锁, 未发现有交换现象, 它们可能位于
同一染色体同一位点上。经过不育株五代兄妹交已选出几个高产核不育两用系。通过测交筛选出一个
强优势高产恢复系 HR 21。利用高产核不育系与强优恢复系配制出两个超高产玉米杂交种; 小区
(0. 0066 hm 2)产量分别为 72. 0 kg 和 78. 1 kg, 比对照掖单 13 号增产 18. 6% 和 28. 7%。本文还讨论了
带遗传标记的高产核不育两用系的应用前景, 并提出进一步研究m s°2p lf 基因的设想。
关键词　玉米; 基因雄性不育; 遗传分析; 两用系育种
The D iscovery, Inher itance and Util iza tion of Gen ic M a le Ster il ity
w ith Genetic M arker in M a ize3
L IN X iao2Y i3 3 　YAN G D ian2E r　L IN J ian2X ing3 3 3
( Institu te of Genetics, Ch inese A cad emy of S ciences, B eij ing 100101)
Abstract　T he gen ic m ale sterility (GM S) w ith genet ic m arker in m aize w as discovered in F 3
genera t ion of the cro ss 3402 in 1992. T he resu lt of genet ic research show ed tha t its sterility
is con tro lled by a recessive gene (m s). W h ile the sterile p lan ts (A ) w ere cro ssed w ith fert ile
p lan ts (B ) , the segrega t ion ra t io of fert ile and sterile p lan ts w as nearly 1 to 1; the segrega2
t ion ra t io of fert ile and sterile p lan ts in self2cro ss of fert ile p lan ts (B ) w as abou t 3 to 1. T he
resu lt of linkage genet ic ana lysis p roved tha t the sterile gene (m s) and the genet ic m arker
gene (p lf) a re fu lly linked and no exchanged betw een them. Bo th genes (m s2p lf ) m igh t lo2
ca te a t the sam e locu s on the sam e ch rom o som e. Som e h ighyield tw o2type lines of GM S have
been b red from fif th genera t ion of sibm ating of sterile p lan ts. A h igh2yield resto re line w ith
st rong hetero sis (HR 21) w as screened by test cro ss w ith sterile line. Tw o super2h igh2yield
hyb rids w ere ob ta ined by u sing cro ss of h igh2yield GM S lines w ith HR 21, their per 0. 0066
hm 2. y ields increased by 18. 6% and 28. 7% respect ively com pared w ith con tro l variety
Yedan 13. Besides th is, u t ilizing p ro spects of the h igh yield tw o2type lines of GM S w ith ge2
net ic m arker w ere d iscu ssed; and the idea tha t m s2p lf genes w ou ld be fu rther stud ied w as a l2
so p ropo sed.
Key words　M aize; Gen ic m ale sterility; Genet ic ana lysis; Tw o2type lines of GM S.
X
XX
XXX 联系人
收稿日期: 1998209228, 接收日期: 1999203218
现在北京卫生学校工作
本文系中国科学院“九五”重大科技项目“主要农作物育种新技术及新品种选育”的资助课题

70 年代前, 美国 T 型胞质雄性不育系杂交种的播种面积占玉米总面积的 85% , 后因 T
型胞质专化感染小斑病 T 小种导致 70 年代初小斑病暴发流行, 使玉米生产遭受巨大损失而
被迫停止使用 T 型不育系[ 1 ]。此后, 除了寻找新的细胞质不育源外, 细胞核雄性不育系的利
用重新引起人们的关注。据文献记载, 目前已发现的核不育基因有 20 多个, 许多基因已经定
位。利用核不育系的最大优点是它不必担心病菌对某种特定胞质的专化感染; 其次是它不需
要特定的恢复基因, 任何自交系都是它的恢复系。由于细胞核雄性不育性不能稳定地遗传给
后代给它的育种利用造成很大困难。为了解决这个问题, 主要采用以下两种方法: 1) 70 年代
帕特生 (Pa t terson) 等根据特殊的染色体畸变类型与雄性不育等位基因的连锁遗传原理提出
创造双杂合体作为核不育系的保持系, 为利用玉米细胞核不育系开辟了新途径[ 2 ]。我国学者
根据 Pat terson 提出的模式相继育出玉米双杂合保持系。由于双杂合体生活力弱, 影响其留
种和利用; 其次, 双杂合体自交后代出现雄性不育株和双杂合体的分离, 这两类植株在抽雄
前无法区分[ 3- 6 ]。因此, 这个办法在生产上应用还有一定困难。2) 利用雄性不育基因与某种
特征性状紧密连锁的关系来区分雄性不育株和可育株, 例如利用m s2y 系统 (利用第六染色体
紧密连锁的不育基因m s 和胚乳颜色基因 y )来生产杂交种子, 为了保证种子纯度, m s 和 y 基
因间的交换值不能超过 1%。前人试验结果表明, m s 和 y 的交换值为 2%～ 5%。因此, 这个
办法能否在生产上应用还有争论[ 7, 8 ]。此外, 有的学者还研究了不育基因 (m s) 和雄穗出花丝
基因 (si)或者与黄绿苗基因 (v )的连锁关系[ 9 ] , 但未见到有实际应用价值的高产核不育杂交种
在生产上应用的报道。总之, 到目前为止, 虽然已发现 20 多种核不育基因, 但仍未能在生产
上利用。究其原因, 可能与未育成带有标记性状的高产基因雄性不育两用系有关。本文将研
究以下几个问题: 1) 带标记性状基因雄性不育系的发现及其遗传分析; 2) 不育基因 (m s°) 与
标记性状基因 (p lf )的连锁关系; 3) 带遗传标记的高产核不育两用系的选育及其应用前景。
1　材料和方法
1990 年以自交系丹 340 (白骨旅 9×有稃玉米) 为母本与带有O 2 基因的玉米族属间杂交
种后代 40322 (栽培玉米×摩擦禾)为父本进行有性杂交, 组合代号为 3402。1992 年在 3402F 3
中发现带标记性状的基因雄性不育 (GM S)材料。
1993～ 1994 年对核不育材料 3402AB (A 为不育株, B 为可育株) 进行成对兄妹交, 同时
对可育株进行套袋自交, 研究它们的育性分离规律, 用卡方测定其适合性。
1993～ 1997 年以 3402—繁3—A , 3402—繁4—A 和 3402—繁8—A 3 个系统为材料, 研究
核不育基因 (m s)与标记性状基因 (p lf )间的连锁关系。
根据高光效高产理想型育种模式, 通过连续成对兄妹交, 从上述 3402—繁3—A 等三个
系统中选育紧凑型带遗传标记的高产基因雄性不育两用系。通过测交方法, 从稳定的玉米族
远缘杂交种中筛选强优的高产恢复系, 并配制超高产玉米杂交组合。
2　研究结果
2. 1　带标记性状基因雄性不育材料的发现及其遗传分析
1990 年以松散型高产自交系丹 340 为母本与玉米族属间杂种高世代紧凑型材料 40322
为父本进行有性杂交, 组合代号为 3402。1990 年冬至 1991 年春在温室种植杂种第一代。
1991 年夏在杂种第二代中分离出一些丰产性好的紧凑型的植株, 其中表现最突出的为 34022
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1。1992 年在这个株系中发现 3 株雄性不育株, 以同行可育株为父本进行杂交。同年冬把它
们拿到海南岛南繁加代, 编号为 3402—繁3、3402—繁4 和 3402—繁8。在海南省乐东县冲坡镇
繁殖田中各株系均出现育性分离; 仍以不育株 (A )为母本, 同行可育株 (B )为父本进行成对兄
妹交, 可育株 (B )套袋自交。1993 年观察和记载它们的育性表现。在 3 个系统中不育株 (A )的
后代绝大多数植株都出现育性分离, 不育株与可育株的比例接近 1∶1; 只有 3 株例外。以上
结果表明, 父本的基因型有两种, 即M sM s 和M sm s。前者与不育株 (m sm s)杂交, 后代全部为
可育株; 后者与不育株杂交, 后代出现接近 1∶1 的育性分离。除去以上 3 株父本外, 其余相
应的可育株 (B )自交后代中可育株与不育株的比例接近 3∶1。根据试验结果判断, 它们属
表 1　玉米核不育 3402 兄妹交及可育株自交后代的育性表现
Table 1　　Segregation of fertil ity in sib-mating of ster ile plan t
and self -cross of fertile plan t in ma ize GM S 3402
年份
Year
株系号
P lan t num ber
不育株兄妹交 (A ×B)
可育株
Fertile
p lan ts
不育株
Sterile
p lan ts
V23
1∶1
可育株 (B)自交
可育株
Fertile
p lan ts
不育株
Sterile
p lan ts
V23
3∶1
1993 3402—繁3 50 49 0. 01 81 32 0. 66
3402—繁4 46 38 0. 76 72 22 0. 13
3402—繁8 14 18 0. 50 49 21 0. 93
合计 To tal 110 105 0. 12 222 75 0. 01
1994 3402—繁3 84 83 0. 01 104 37 0. 12
3402—繁4 62 54 0. 55 106 30 0. 63
3402—繁3 36 42 0. 46 65 23 0. 06
合计 To tal 182 179 0. 02 275 90 0. 02
合计 To tal
1993～ 1994 292 284 0. 11 497 165 0. 002
　　3 N = 1 时 V2 与 P 值的关系: V2= 3. 841, P= 0. 05; V2= 6. 635, P= 0. 01
于基因雄性不育 (GM S)。
1993 年继续对上述 3 个
系统的不育株 (A ) 进行成
对兄妹交, 相应的可育株
(B ) 套袋自交。1994 年观
察和记载它们的育性表
现, 用卡方测验它们的符
合性。两年的试验结果如
表 1 所示。
　 　 试 验 结 果 表 明,
3402—繁3、3402—繁4 和
3402—繁83 个系统 1993
年不育株兄妹交 (A ×B )
后代育性分离比例为可育
株 110 株, 不育株 105
株; 1994 年可育株 182
株, 不育株 179 株。两年可育株 (B )套袋自交, 后代不育株与可育株分离比例, 1993 年为 75 ö
222, 1994 年为 90 ö 275。卡方测验结果, 不育株成对兄姝交 (A ×B ) 后代育性分离比例符合
1∶1, 可育株 (B ) 自交后代分离比例符合 3∶1。两年试验结果说明, 基因雄性不育性受一对
隐性基因控制, 其遗传模式如图 1。
2. 2　核不育基因 (m s) 与标记性状基
因 (p lf )的连锁遗传分析
1992 年秋收后考种时发现在
3402 中成对兄妹交的不育株的果穗
和种子带有标记性状: 果穗上出现多
两倍的花丝, 正常种子的两侧有两个
干瘪的败育种子的标记性状, 其表现
型为多花性状 (见图版 É 中 a、b、c)。
这意外的发现引起我们的重视, 我们
把此标记性状的基因符号暂定为 p lf 。1993～ 1997 年对 3402—繁3—A、3402—繁4—A 和
3402—繁8—A 三个系统中各代分离的不育株 (A )和可育株 (B )的种子进行考种, 结果如表 2。
1312 期　　　　　　林晓怡等: 带遗传标记的玉米基因雄性不育的发现及遗传和利用研究　　　　　　　　　

表 2　　3402 核不育基因 (m s)与标记性状基因 (p lf )的连锁遗传分析
Table 2　　L inkage genctic analysis of GM S gene (m s) and
genetic marker gene (p lf ) in GM S 3402
年份
Year
不育株 (A )
Sterile p lan t (A )
穗数
N o. of
ears
标记种子数
N o. of
m arker seeds
无标记种子数
N o. of non2
m arker seeds
可育株 (B)
Fertile p lan t (B)
穗数
N o. of
ears
标记种子数
N o. of
m arker seeds
无标记种子数
N o. of non2
m arker seeds
1993 10 2560 0 10 0 3120
1994 13 3406 0 13 0 3796
1995 31 8711 0 31 0 9951
1996 30 8130 0 30 0 9360
1997 27 7614 0 27 0 8694
合计
To tal 111 30421 0 111 0 34921
　 　 从 1993 年 至
1997 年, 不育株和
可育株各考种 111 个
果穗, 不育果穗 5 年
共统计 30421 粒种
子, 111 个果穗全部
种子都带有明显的标
记性状; 可育株 111
个果穗统计 34921 粒
种子, 全部种子都无
标记性状。试验结果
说明, 凡是不育株的
果穗全部种子都带有
明显的标记性状, 未发现有无标记性状的种子; 与此相反, 凡是可育株的果穗, 所有种子为
不带标记的正常种子, 未发现有带标记性状的种子。据试验结果判断, 核不育基因 (m s) 与标
记基因 (p lf )紧密连锁, 不育基因m s 与标记性状基因 p lf 可能位于同一染色体同一位点上。
2. 3　带遗传标记的高产核不育两用系的选育及其应用前景
从 1989 年开始, 我们相继在玉米族远缘杂交种后代中发现核不育材料, 如科系 105A、
4036A 和大白双棒A 等, 由于没有找到可鉴别的标记性状, 与前人发现的玉米核不育系一
样, 在生产上难以利用。1992 年秋收后, 在杂交组合 3402F 3 代中发现的核不育材料带有标记
性状 (基因符号为 p lf ) , 这个发现使玉米核不育系的利用成为可能。从一开始我们就根据高
光效高产大豆理想型的育种模式, 把培育“库大”和光能利用率高的高产核不育两用系作为首
要任务, 其次是选择叶片上举、耐密植的高产理想株型。经过五代成对兄妹交, 不育株与可
育株的分离比例已稳定在 1∶1 的水平 (见表 3)。从 3402—繁3、3402—繁4 和 3402—繁8 系统
中已选出一批紧凑型的高产核不育两用系。它们的共同特点是: 株型紧凑、叶片上举、叶片
夹角小、叶色浓绿; 株高 170～ 180cm , 穗位 80～ 85cm ; 抗病性强, 抗大小斑病、矮花叶病、
粗缩病和青枯病; 丰产性好, 果穗长 17～ 18cm , 穗行 14～ 16 行, 行粒数为 40～ 45 粒, 千粒
重 230～ 300g (植株和果穗见图版É 中的 d) ; 恢复源广, 目前应用的优良自交系都是它们的恢
复系。由于恢复系的基因型不同, 其配合力也不一样。根据 1997 年初步筛选结果, HR 21 是
一个强优高产恢复系。利用它与高产核不育系 HM 21 和 HM 22 配制两个杂交组合, 小区
(0. 0066hm 2) 产量分别为 72. 0 kg 和 78. 1kg, 比对照掖单 13 号 (小区 (0. 0066hm 2) 产量60. 7
kg 增产 18. 6% 和 28. 7% , 充分显示出它们具有很强的杂种优势。我们利用标记高产核不育
系与强优势高产恢复系构建了培育超高产玉米新体系, 并配制了大量杂交组合, 争取在 2000
年前后应用于生产, 为利用玉米核不育杂种优势开辟一条新途径。
3　讨论
隐性核不育材料主要问题是找不到典型的保持系, 它只能与杂合可育株进行兄妹交来保
持其不育性。如果不育株不具有标记性状就很难在生产上应用[ 1 ]。玉米已发现 20 多个核不育
基因, 有的已进行了基因定位, 由于缺乏标记性状, 仍未能在育种上得到有效利用。我们首
231　　　　　　　　　　　　　　　　　作　　物 　　学　　报　　　　　　　　 　　　　　　　　26 卷

表 3　核不育 3402 成对兄妹交 (A×B)各代的育性表现
Table 3　Segregation of fertil ity in sib-mating of ster ile plan ts (A×B) in differen t generation of GM S 3402
年份
Year
3402—繁3 系统
3402—3 System
　 可育株
Fertile
p lan ts
不育株
Sterile
p lan ts
V23
1∶1
3402—繁4 系统
3402—4 System
可育株
Fertile
p lan ts
不育株
Sterile
p lan ts
V23
1∶1
3402—繁8 系统
3402—8 System
可育株
Fertile
p lan ts
不育株
Sterile
p lan ts
V23
1∶1
三个系统合计
To tal of th ree system s
可育株
Fertile
p lan ts
不育株
Sterile
p lan ts
V23
1∶1
1993 50 49 0. 01 46 38 0. 76 14 18 0. 50 110 105 0. 12
1994 84 83 0. 01 62 54 0. 55 36 42 0. 46 182 179 0. 02
1995 55 54 0. 01 107 119 0. 64 25 28 0. 17 187 201 0. 51
1996 93 117 2. 74 79 100 2. 46 91 93 0. 02 263 310 3. 86
1997 117 115 0. 02 94 110 1. 26 100 128 3. 44 311 353 2. 66
合计 To tal　1993～ 1997
399 418 0. 44 388 421 1. 35 266 309 3. 22
　　3 N = 1 时, V2 与 P 值的关系; V2= 3. 841, P= 0. 05; V2= 6. 635, P= 0. 01.
次发现不育基因 (m s°)与标记性状基因 (p lf ) 完全连锁, 根据果穗上多两倍花丝和正常种子两
侧带有两个败育种子的标记性状就能把不育果穗与可育果穗分开。将不带标记性状种子的果
穗淘汰, 留下带标记性状种子的果穗作为繁种用或作为制种用。这样就使核不育系在育种上
的应用前进了一大步。由于带遗传标记的核不育系仍然找不到典型保持系, 它需靠杂合可育
株进行兄妹交来保持其不育性, 其后代分离出 50% 不育株和 50% 的可育株。在制种时, 只能
节省一半劳力, 另一半可育株仍需人工去雄。由于抽雄时两类植株的雄穗在形态上易于区
别, 可用人工对可育株进行去雄。虽然只能节省一半劳力, 但不影响制种产量。收获时根据
标记性状把不育系杂交种和可育株 (已去雄) 杂交种的果穗分开, 它们可作为杂交种应用于生
产。
核不育系的最大优点是不受针对某种胞质的玉米小斑病小种的危害, 而且任何自交系都
是它的恢复系。但是不同自交系的配合力是不一样的, 在生产上不仅要有高产核不育系, 更
重要的还必须有强优势高产恢复系, 我们曾经应用 708、478 和HR 21 三个自交系与标记核不
育系配制杂交种, 前二者配制的杂种比对照掖单 13 号增产 8%～ 10% , 后者配制的杂交种比
对照增产 18%～ 28%。初步试验结果表明, 利用带标记核不育系与强优恢复系构建选育超高
产玉米新体系, 可为利用核不育杂种优势开辟一条新途径。此外我们还构建了两套等位基因
系, 一为m sm s 和M sm s 等位系, 另一为M sm s 和M sM s 等位系, 可为进一步研究玉米核不
育机制提供很有用的种质。
参　考　文　献
1　刘纪鳞. 玉米雄性不育系育种. 赵洪璋主编, 作物育种学, 北京: 农业出版社, 1979, 450～ 464
2　Patterson E. B , Genic m ale sterility and hy brid m aiz e p rod uction. P roc. 77 thM eeting M aize and So rghum Sect. Eucarp ia
Zagreb. Yugaslavia, 1973, Sep t. 3～ 6
3　季良越, 罗福和, 陈伟程等. 作物学报, 1993, 19 (3) : 262～ 263
4　季良越, 季洪海, 罗福和等. 遗传, 1997, 19 (6) : 1～ 6
5　张宝石. 植物遗传理论和应用研讨会论文集, 1994: 122～ 127
6　刘仲元. 遗传学报, 1982, 9 (1) : 78～ 84
7　季良越, 罗福和, 胡彦民等. 河南农业大学学报, 1989, 23 (1) : 6～ 11
8　李竞雄. 见: 李竞雄主编, 玉米育种研究进展, 北京: 科学出版社, 1992: 1～ 7
9　周洪生, 李竞雄, 邓迎海等. 见: 李竞雄, 周洪生主编. 植物雄性不育与杂种优势研究进展, 1996, 155～ 158
3312 期　　　　　　林晓怡等: 带遗传标记的玉米基因雄性不育的发现及遗传和利用研究