萍乡显性核不育水稻的研究现状及利用前景

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(江西省农业科学院/国家水稻改良中心南昌分中心/水稻国家工程实验室,江西南昌 330200)

2012-07-25

李永辉(1979-),男,江西东乡人,助理研究员,主要研究方向为水稻杂种优势利用及分子育种，Email:liyonghui1510@163.com。*通信作者,Email:caiyaohui@126.com。

江西省科技支撑计划项目(2009BNA03600)；现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-01-04)。

萍乡显性核不育水稻的研究现状及利用前景

李永辉，朱珊，聂元元，颜满莲，毛凌华，蔡耀辉*，颜龙安

(江西省农业科学院/国家水稻改良中心南昌分中心/水稻国家工程实验室,江西南昌 330200)

萍乡显性核不育水稻的发现在水稻上属世界首例。从萍乡显性核不育水稻的发现、生物学特征特性、遗传分析、相关基因定位、光温特性、败育机理、育种应用等方面进行了综述，并对其利用前景进行了展望。

萍乡显性核不育水稻；基因定位；败育机理；育种利用

植物雄性不育是自然界一种普遍存在的遗传规律，它在植物遗传育种研究中占有很重要的地位, 一方面同杂种优势的利用有直接关系, 另一方面其形成机制同细胞遗传理论紧密相关, 是遗传学理论研究的一个重要课题。Salaman等[1](1910年)首次在马铃薯中发现雄性不育现象，迄今已在40多个科 160多个属 620余种植物中发现了这一现象, 其中包括水稻、小麦、油菜、棉花和麻类等重要作物。目前已在10余种作物上发现了24例显性核不育材料，其中水稻显性核不育材料5例[2～6]。萍乡显性核不育水稻的发现在水稻界属首例，是颜龙安等[6]1978年发现的，1987年经中国农科院19位同行专家鉴定命名，它不仅极大地丰富了水稻种质资源及其遗传理论研究，而且在水稻常规育种和分子育种等方面具有独特的优势，为水稻遗传育种开辟了新的途径和方法。本文从它的发现、遗传分析、相关基因定位、败育机理等方面对其研究现状进行综述，并对其利用前景进行了展望，从而为进一步对其开展深入研究提供借鉴。

1 萍乡显性核不育水稻的发现及生物学特征

萍乡显性核不育水稻是颜龙安等[6]1978年在“栽野型”组合(萍矮58×华野)F2中的不育株和反交组合(华野×萍矮58)F4中的可育株杂交，后代分离出的花粉典败型变异株，通过大量杂交试验及遗传分析研究，证明该材料不育性受核内1个显性不育基因控制，经专家鉴定命名为“萍乡显性核不育水稻”，同时，因该材料发现于萍乡，而萍乡拼音的第一个字母为P，因而用“Ms-P”命名萍乡显性核不育基因。

该材料属早籼中熟类型，全生育期约120 d，株型紧，稍包颈，株高约77.6 cm，较可育株矮3～5 cm，抽穗迟2～3 d；花药瘦小，乳白色，典败型；柱头大，柱头外露率高，柱头活力下降慢；张颖角度较大，但花期不太集中，一天中没有明显的开花高峰，其盛花期较可育株迟1 d，在幼穗分化期遇持续高温有少量自交结实[6,7]。

2 萍乡显性核不育水稻的遗传分析及相关基因定位

2.1 遗传分析

自发现开始，颜龙安等[6]对该材料做了大量的杂交试验，研究其遗传规律证明不育株系育性能稳定遗传，不育性与细胞质无关，不育性受核内1个显性雄性不育基因控制。蔡耀辉等[8，9]用珍汕97A、新露A、“紫圭”、“麦颖稻”、“早籼8004”等品种与该材料进行杂交、测交，研究表明该不育材料带有使质核互作不育系育性恢复的基因，在不同遗传背景下，萍乡显性核不育水稻对质核互作不育系具有不同的恢保关系。萍乡显性核不育基因与质核互作不育基因是独立发生的，即它们核内雄性不育基困是非等位的，当质核互作不育系中细胞质和细胞核的隐性不育基因一起作用时，能够掩盖萍乡显性核不育基因的育性表达；紫圭、早籼8004等品种存在 1对显性基因，这对基因和显性核不育基因之间具有显性上位作用。贺浩华等[10]发现，控制该不育材料的育性是受核内两对显性基因(Ms、Rf)互作控制的，其中Ms为显性不育基因，Rf为显性上位基因，两者共同存在时，Rf能抑制不育基因Ms的表达，不育群体的基因型(Msmsrfrf+msmsrfrf或MsMsrfrf+MsMsR fRf)和恢复系基因型(msmsRfRf)。

2.2 相关基因定位

陈学伟等[11]利用测64与其构建定位群体，通过SSLP和RFLP技术将其不育基因定位于水稻第10 染色体上，距SSLP标记 RM228为14.9 cM和距RFLP 标记G2155为2.6 cM。贺浩华[12]等利用保持系桂99 与其构建定位群体，利用微卫星标记技术，将其不育基因也定位于第10 染色体的分子标记RM239附近，但距RM239标记5.65 cM。黄廷友等[13]利用恢复系E823与其构建群体, 将其显性上位恢复基因定位在水稻第10染色体RM311和RM3152一侧, 距离分别为7.9 cM和3.6 cM；同时根据已有的Ms-P的定位结果,合成微卫星引物，根据第10染色体的测序结果, 对不育单株进行分析，将不育基因界定在约730 kb的范围内。薛康等[14]用紫圭与其构建的定位群体，通过SSR荧光标记技术将显性上位恢复基因也定位在第10染色体的微卫星标记RM6737和RM6100之间，距离均为0.04 cM。

这些研究虽然都将不育基因和显性上位恢复基因定位在水稻第10 染色体上，但具体位置是不同的，其原因可能是与定位群体的亲本材料遗传背景和群体的大小有关。

3 萍乡显性核不育水稻的光温特性

颜龙安等[6]通过人工气候箱和自然条件研究表明，该材料在幼穗分化期对温度敏感，此间白天遇30℃以上高温具有自交结实现象。蔡耀辉等[15，16]研究发现，不同稃尖的不育株感温效应不同, 红色稃尖比白色稃尖感温效应更强，同时，感温效应与遗传背景也有关, 不同遗传背景的不育株感温效应不同，同一株系不同单株感温性有差异，感温性具有较好的遗传稳定性。龚慧明等[17，18]利用人工气候箱研究表明，该材料纯合和杂合不育株的育性转换高温诱导临界值均为27～28℃，不存在显性不育基因的剂量效应，温度敏感期在花粉母细胞形成期至减数分裂期，光期温度对育性转换的作用最大，暗期温度也有一定的作用；光照长度对其育性转换也有影响，在可育季节里，花粉可育率随光照长度的延长而升高；在不育季节里，10 h和12 h处理，育性没有发生转变，但15 h 的处理，育性转为可育；初步断定在诱导该材料育性转换的因子中，温度可能起主导作用，光长起协同作用；当温度在临界温度以上时，长光对育性转换的影响被高温所掩盖，长光只有在一定温度的配合下，才能诱导不育向可育转变；在育性转换中，温度、光照可能具有互补互作效应。

4 萍乡显性核不育水稻的败育机理

4.1 细胞学机理

张南中等[19]对其进行细胞学初步研究表明，其败育现象大多发生在单核期, 只有极少发生在双核期。贺国良等[20]利用光学显微镜对其可育株和不育株的花粉形成及发育过程、药壁组织发育等方面进行研究表明，导致其败育的主要原因是绒毡层细胞异常且解体延迟，花粉母细胞发育不正常且分裂方式为“连续型”，分裂期细胞液泡化严重，染色体粘连，纺缍体形成不规则，核中出现囊泡化现象，花粉母细胞减数分裂方式为“同时型”并多核现象；败育可发生在四分体之前，也可发生在小孢子形成之后，纯合不育株与杂合不育株的败育机理基本一致。贺浩华等[21]进一步利用电镜技术对其败育机理进行研究，结果表明导致其败育的主要原因是药隔维管束异常，绒毡层细胞延迟解体，乌氏体不参与小孢子细胞壁的形成，特别是纯合不育株绒毡层细胞存在乌氏体的异位分布；薄壁细胞排列紊乱，液泡化；杂合不育株薄壁细胞互相融合，出现核转移的独特现象。

4.2 生化机理

傅军如等[22，23]以其纯合不育株、杂合不育株和可育株为研究材料，对幼穗发育期的叶片、幼穗和花药中的可溶性蛋白质、核酸含量以及同工酶含量进行了系统研究，结果表明：其一，在可溶性蛋白质含量方面，叶片中三者的差异不大，且变化趋势基本相同；不育株幼穗中的含量在雌雄蕊形成期与可育株基本相同，但在花粉母细胞形成期和减数分裂期剧烈下降，比可育株低；不育株花药中的含量低于可育株，这是其败育的一个重要生化特征。其二，在核酸含量方面，不育株、可育株叶片和花药中的脱氧核糖核酸含量相差不大，且变化基本一致；不育株幼穗中的脱氧核糖核酸含量明显低于可育株；不育株叶片中核糖核酸的含量在花粉母细胞分裂关键时期出现突增、突降及含量积累的特有现象，不育株幼穗和花药中的核糖核酸含量明显低于可育株。其三，在酯酶、过氧化物酶和细胞色素氧化酶比较方面，不育株和可育株叶片中的酶谱未见差异，但幼穗期雌雄蕊形成期有差异，减数分裂期差异更明显，差异呈现于显色颜色、速度和带宽上，但谱带数未见差异；单核期和三核期，不育株花药中的三者酶谱带数分别依次比可育株多 1条、缺2条和2条。研究表明其不育基因表达具有组织的时空特异性，花药发育过程中基因表达程序的扰乱是引起花粉败育的最主要原因。

5 萍乡显性核不育水稻的育种应用

颜龙安等以该材料为桥梁亲本, 以早熟品种为骨干亲本, 通过聚合杂交选育出一批稳定品系，其中“聚育1 号”( Ms-p///85-02// 89-01/优1B)1997年参加江西省早稻常规区试[24]。蔡跃辉等[8，9]、贺浩华等[10]找到了该材料的恢复系(紫圭、早籼8004、麦颖稻、蓬莱稻、萍矮58、IR30)，认为其不育基因存在显性上位性。

刘小强等[25]利用其不育株在高温条件下表现部分可育的特性，在南昌夏季以其杂合不育株作父本，用粤香占、HR-195、85-02、中鉴100、9311、原早 7 号、超丰早、R402等具有不同细胞质来源的常规水稻品种作母本，以其进行杂交研究不育基因的转育，结果表明转育后代中出现的不育株育性没有中间型，败育彻底，遗传背景和环境条件不会对转育后代核不育基因表达产生影响，不育性能稳定遗传，转育成功的5个水稻显性核不育株系在株高、分蘖强度、倒3叶长度和角度等农艺性状都与原始亲本不育株有明显的差异。贺浩华等[10]和刘小强等[25]报道桂99和9311为其保持系，但王坚等[26]在构建不育基因定位群体时，意外发现它们对其表现出恢复性，并对其显性核不育基因存在显性上位作用，能抑制显性不育基因的表达，从而使不育转变为可育。

6 萍乡显性核不育水稻的利用前景

萍乡显性核不育水稻在遗传理论研究和育种应用等方面具有重要的研究价值，它在水稻遗传育种应用中有着较好利用前景。

6.1 开展基础理论研究的理想材料

该材料不育性因受1个显性核不育基因控制，是育种工作者进行基础理论研究的理想材料。如利用它的感温性, 通过利用其在适当条件下(白天日平均气温30℃以上)不育株的“花粉”与各种类型品种杂交, 观察各品种对这个显性核不育基因的反应，是研究水稻细胞质类型及效应等不可多得的理想材料；同时，该材料自交S1代能产生纯合体和杂合体不育株, 这为研究不同基因型控制显性核不育的败育机理及遗传效应等理论研究提供了理想材料；也可将其核不育基因导入到秋光、IR36和南京11号等广亲和品种中，建立一套测交系统，为快速筛选广亲和基因提供理想材料。

6.2 创制水稻种质资源

该材料遗传背景单一，可利用该材料不育基因的表达特点，将其基因转移到不同的细胞质和细胞核的遗传背景中，通过轮回选择和复合杂交等育种手段导入产量、品质、病虫害抗性等多种有利基因，能建立一系列适应于不同育种目标的显性核不育型种质库，可以获得一批具有优良性状的聚合型种质资源，创制突破性的种质资源，扩大种质资源遗传多样性，并将它们广泛地应用于水稻育种，对育成在品质、产量、抗性等方面有突破性的新品种将起到一定的促进作用。

6.3 杂种优势利用

该材料在育种应用中已找到了恢复系，同时该材料具有在高温和长日照下可自交结实性，因而解决了育性的保持和纯合不育系的获得问题，可利用其通过二系法进行杂种优势利用。为充分开辟其在杂种优势方面的利用，可借鉴太谷核不育小麦、油菜等作物成功利用的经验[27～32]，根据本地水稻生产情况，采取逐级式和阶梯式轮回杂交，建立轮回选择群体[33，34]，选育聚合有利基因的水稻新品种。也可通过利用其与普通品种广泛杂交，特别是以早熟类型品种杂交，进行显性核不育基因的转育，后代利用高温进行筛选，以选育出性状优良的适用型显性核不育系，以转育的不育系与已有的优良恢复系大量配制杂交组合，获得在产量、抗性、米质等方面有突破的新品种。同时，也可利用对其不育基因有显性上位性的品种作父本与其不育株杂交，配制强优势组合，发挥其杂种优势。同时还可通过常规育种技术与分子生物技术相结合，在导入目标基因过程中利用其显性核不育基因的遗传特点，开发能区别可育株与不育株的分子标记，建立高效、便捷、可行的分子育种体系，为水稻育种服务[35～37]。

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ResearchStatusandProspectofPingxiangDominantGenicMaleSterileRice

(Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/Nanchang Sub-center, National Rice Improvement Center/National Engineering Laboratory for Rice, Nanchang, Jiangxi 330200, China)

The discovery of Pingxiang Dominant Genic Male Sterile Rice (PDGMSR) was first time in the world. In this paper, the research status of PDGMSR was summarized including the discovery, biological characteristics, inheritance analysis, mapping of relative gene, photo-thermal characteristics, abortion mechanism, utilization in breeding, etc. Finally the utilization of PDGMSR was prospected.

Pingxiang Dominant Genic Male Sterile Rice (PDGMSR); Mapping of gene; Abortion mechanism; Utilization in breeding

S511.024

A

1001-5280(2012)05-0435-05

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.05.06