小粒野生稻型细胞质雄性不育系的创建及其恢保关系鉴定

郑 卓，孙惠敏，王安萍，胡雪华，柳正葳，刘科科，许东风



小粒野生稻型细胞质雄性不育系的创建及其恢保关系鉴定

*郑 卓1，孙惠敏2，王安萍1，胡雪华1，柳正葳1，刘科科1，许东风1

（1. 井冈山大学生命科学学院，江西，吉安 343009；2. 江西省生物多样性与生态工程重点实验室博士后科研工作站，江西，吉安 343009）

小野1A是由小粒野生稻（Presl.）中天然不育株与Y58S/内香B杂种后代优秀单株经多代回交转育而成。由于该雄性不育细胞质来自小粒野生稻，称为XY型雄性不育细胞质。恢保关系鉴定结果表明，XY型细胞质雄性不育系与野败型（WA）、印尼水田谷型（ID）、K型和红莲型（HL）细胞质雄性不育系的恢保关系不同， WA型、ID型、K型和HL型的保持系和恢复系中部分可以作为XY型雄性不育细胞质的保持系，部分可以作为XY型雄性不育细胞质的恢复系。XY型雄性不育细胞质突破了WA型、ID型、K型和HL型等雄性不育细胞质的恢保关系，扩大了保持系育种范围，可以用品质优良的栽培品种培育出高标准优质米不育系。由此可见，XY型雄性不育细胞质的发掘，不仅丰富了杂交稻细胞质遗传多样性，而且为培育高标准优质米不育系、进而实质性提高杂交稻稻米品质开辟了一条崭新的育种途径。

水稻；细胞质雄性不育；XY型细胞质雄性不育；恢保关系

水稻是我国的主要粮食作物。与常规稻相比，杂交稻一般增产20%左右。因此，培育杂交稻对提高我国水稻产量、保障我国粮食安全具有十分重要的意义。利用细胞质雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）配置杂交种是培育杂交水稻的主要方式之一。我国 20 世纪 70 年代育成了以野败型为代表的细胞质雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系，成功实现了三系配套和利用。几十年来我国已培育出不同细胞质源的水稻雄性不育类型达60种以上，目前在生产上应用的细胞质雄性不育类型主要有野败型（WA）、D型、冈型（G）、K型、红莲型（HL）、印尼水田谷型（ID）、矮败型（DA）、马协型（MA）、包台型（BT）以及滇型（DT）等。其中，杂交籼稻以野败型（WA）为主，杂交粳稻以包台型（BT）为主[1-7]。在生产上长期大面积利用单一细胞质源的雄性不育系，势必引起杂交水稻优势衰退，抗病虫能力和适应性减弱，给我国粮食安全生产带来潜在威胁[8]。因此，进一步发掘和利用新的细胞质雄性不育种质资源对克服我国三系杂交水稻不育胞质单一、丰富不育胞质遗传多样性具有重要意义。

我国栽培稻和野生稻资源十分丰富，两者遗传差异较大[9-11]。在野生稻自然群落或野生稻与栽培稻杂种后代分离群体中筛选雄性不育株是发掘新的细胞质雄性不育种质资源的有效方法[12-15]。如野败型细胞质雄性不育系珍汕97A等就是在我国海南岛崖县的普通野生稻（Griff.）自然群落中发现的花粉败育株转育而成[16]。红莲型细胞质雄性不育系是武汉大学科研人员以红芒野生稻为母本、江西地方品种莲塘早为父本杂交，在杂交后代中发现的雄性不育株再用莲塘早多代回交转育而成[17-19]。王乃元等在普通野生稻（Griff.）与栽培稻杂种（/金早6号//早恢89）后代分离群体中筛选到恢保关系与野败型（WA）、红莲型（HL）不同的不育细胞质类型CMS-FA[20-24]。陈永军等在爪哇稻（Wanilava）与栽培稻杂种（Wanilava/培矮64//G46B）后代分离群体中筛选到恢保关系与野败型（WA）相同的不育细胞质类型爪哇稻Wanilava型（JW型）[25]。雷雪芳等选育出具有东乡野生稻细胞质的雄性不育系 41A[26]。

小粒野生稻（Presl.）主要分布在印度、菲律宾、新几内亚等地，具有许多优良特性，如抗病、耐旱、耐荫蔽等[27]。本课题组经过近7年的研究，成功创建了来源于小粒野生稻（Presl.）细胞质的雄性不育系。由于该雄性不育胞质来源于小粒野生稻，故定名为小野型(XY型)，相应的不育系和保持系分别命名为小野1A和小野1B。为了明确小野型(XY)雄性不育细胞质的恢保关系与野败型(WA)是否相同，2013年本课题组对小野1A的恢保关系进行了鉴定。本研究对上述结果进行报道。

1　材料与方法

1.1 实验材料

小粒野生稻、Y58S、金23A、金23B、福伊B、博3B、中9A、中9B、宜香B、内香B、华占、R527、明恢86、9311由国家杂交水稻工程技术研究中心何强提供，K17A、K17B、粤泰A、粤泰B、香恢1号由湖北省农科院水稻研究所伍晓智提供，经多代连续回交或自交培育的不育系小野1A（XY型胞质）及其对应保持系小野1B。

1.2 实验方法

1.2.1 小野型（XY）雄性不育胞质的发现和不育系的选育

2008年我们在小粒野生稻株系内发现几株雄性败育彻底的单株，然后对该不育单株进行了广泛测交。通过对测交F1育性观察，发现Y58S/内香BF3部分株系可以很好保持其雄性不育性状，于是在这些株系中继续选择优秀单株成对回交，当选单株同时自交，直至性状整齐稳定，育成新胞质雄性不育系小野1A及其对应保持系小野1B。

1.2.2小野型细胞质雄性不育系小野1A的恢保关系鉴定

2013年3月我们在海南三亚用小野型胞质雄性不育系小野1A与WA型、ID型、K型、HL型CMS的保持系8个、恢复系6个测交。2013年5月在江西吉安井冈山大学水稻繁育研究中心试验基地播种测交F1及其亲本，秧龄25天，栽插密度16 cm×24 cm，栽培管理同大田。成熟时，各个组合考察10株主穗的自然结实率。自然结实率采用结实粒数/总粒数×100%表示。鉴定新胞质雄性不育系小野1A与WA型、ID型、K型和HL型不育系的恢保关系。

2　结果与分析

2.1小粒野生稻型细胞质雄性不育系小野1A的培育

2007年我们从国家杂交水稻工程技术研究中心何强处征集到小粒野生稻稻种资源，正季播种，成熟时分单株收获。2008年水稻抽穗开花期间，在小粒野生稻的1个株系内发现几株雄性败育较彻底的不育单株。这些不育单株花药呈淡黄色，棒状，不开裂散粉。为了保存这一不育性状，利用部分保持系、优良的常规品种以及Y58S/内香BF3部分优秀株系对这些不育株进行了广泛测交。2009年正季播种这些测交F1，抽穗开花期对这些测交F1的育性进行了观察，结果发现部分Y58S/内香BF3优秀株系能很好保持这一不育性状，获得了100%不育株群体。根据测交F1的育性，结合大田农艺性状的表现，继续在Y58S/内香BF4优秀株系中选择优秀单株与相应的测交F1进行成对回交。2010年正季播种成对回交种子，抽穗时依据BC1F1的育性及可育株的大田农艺性状，继续选择优秀单株与不育株成对回交，直至各项性状基本稳定。新育成的具有小粒野生稻雄性不育胞质的不育系命名为小野1A，相应的保持系命名为小野1B（表1）。

表1 小粒野生稻(Presl.)型细胞质雄性不育系小野1A的选育

Table 1 Development of Xiaoye1A male sterile line with new cytoplasm fromPresl.

2.2 小野型细胞质雄性不育系小野1A的恢保关系鉴定

2.2.1 小野1A与其它不育胞质类型保持系杂种F1的育性

本实验所用的保持系中，WA型保持系有3个，分别为金23B、福伊B、博3B；ID型保持系有3个，分别为中9B、宜香B、内香B；K型保持系K17B和HL型保持系粤泰B。小野1A分别与上述保持系进行了测交。测交F1的自然结实率结果表明（表2），3个WA型保持系中，福伊B可以保持其不育性，而其余两个保持系金23B和博3B可以完全恢复其育性，说明福伊B细胞核中不含有小野1A的恢复基因，而金23B和博3B含有小野1A的恢复基因。3个ID型保持系中，中9B可以完全恢复其育性，而宜香B、内香B可部分恢复其育性，宜香B的恢复度高于内香B，说明中9B含有小野1A的恢复基因，而宜香B、内香B含有小野A的部分恢复基因，宜香B和内香B所含的部分恢复基因是否等位还需进一步研究。K17B和粤泰B均可以完全恢复其育性，说明K17B和粤泰B均含有小野1A的恢复基因。上述结果说明，XY型胞质的不育基因与WA型、ID型、K型和HL型的不育基因不同，因此其表现出与它们不同的恢保关系。

表2 小野1A与其它不育胞质类型保持系杂种F1的育性表现

2.2.2小野1A与其它雄性不育胞质类型恢复系杂种F1的育性

本实验所用的恢复系均为生产上大面积利用的恢复系。XY型不育系小野1A、WA型不育系金23A、ID型不育系中9A、K型不育系K17A、HL型不育系粤泰A分别与上述恢复系进行了测交。由测交F1的自然结实率结果可知（表3），明恢86可以完全恢复金23A、中9A、K17A，部分恢复粤泰A，但不能恢复小野1A，说明明恢86的核基因中含有WA型、ID型、K型、HL型的恢复基因，而没有XY型的恢复基因。R527可以完全恢复金23A、中9A、K17A、粤泰A，部分恢复小野1A，说明R527的核基因中含有WA型、ID型、K型、HL型的恢复基因和XY型的部分恢复基因。华占可以完全恢复金23A、中9A、K17A、粤泰A，但能保持小野1A的不育性，说明华占的核基因中含有WA 型、ID型、K型、HL型的恢复基因而不含XY型的恢复基因。R338可以完全恢复金23A、中9A、K17A、粤泰A和小野1A，说明R338的核基因中含有WA型、ID型、K型、HL型和XY型的恢复基因。9311可以完全恢复粤泰A，部分恢复小野1A、中9A、K17A，但能保持金23A的不育性，说明9311的核基因中含有HL型的恢复基因，XY型、WA型和K型的部分恢复基因，对ID型不具恢复性。香恢1号可以完全恢复K17A、粤泰A，部分恢复中9A，但能完全保持小野1A和金23A，说明香恢1号的核基因中含有K型和HL型的恢复基因，ID型的部分恢复基因，不含XY型、WA型的恢复基因。上述结果说明，XY型的恢复基因与WA型、ID型、K型和HL型的恢复基因不同。

表3 小野1A与其它不育胞质类型恢复系杂种F1的育性表现

3　讨论

自我国 20 世纪 70 年代成功实现三系杂交水稻配套以来，水稻雄性不育研究不断进展，不断发现新的雄性不育细胞质源。目前我国已培育出不同细胞质源的水稻雄性不育胞质类型达60种以上，表明水稻雄性不育细胞质具有极其丰富的遗传资源。但生产上大面积应用的只是其中很小的一部分，还有很大的资源潜力有待开发利用。

目前我国生产上大面积利用的雄性不育细胞质主要有WA型、G型、ID型和D型。通过分析这些不育系的亲本系谱可以看出，它们的骨干亲本主要是二九南1号、威20、珍汕97、朝阳1号、威41、71-72等品种，几乎都是来自南特号、矮仔占等长江流域的早稻及其衍生品种。这类品种垩白较大，直链淀粉含量较高，米质指标与目前执行的农业部行业NY标准和国家优质稻谷质量GB标准相距甚远。由于受恢保关系的严格制约，近年来新选育的不育系(保持系)只能局限和依赖南特号、矮仔占等血缘，因而新选育的不育系稻米品质均较差。这可能是当前生产上较长时间难以育成优质米三系不育系和三系杂交稻的主要原因[28-29]。小野1A是由小粒野生稻中天然不育株与Y58S/内香B杂种后代优秀单株经多代回交转育而成，其不育细胞质来自小粒野生稻。

本研究结果表明，小野1A的恢保关系与WA型、ID型、K型和HL型完全不同，突破了WA型等不育细胞质恢保关系的限制，其保持系的选择可以扩大到南特号、矮仔占血缘以外。因此，利用XY型雄性不育细胞质，易于选育出高标准优质米不育系，进而培育出高标准优质米杂交稻。本文研究结果也支持这一推论，如生产上大面积利用的香型优质米恢复系香恢1号、抗稻瘟病优质米恢复系华占等均能对XY型不育细胞质进行保持，因此，利用香恢1号、华占等高标准优质米品种可以选育出高标准优质米不育系。由此可见，XY型雄性不育细胞质的发掘，不仅丰富了杂交稻细胞质遗传多样性，而且为培育高标准优质米不育系、进而实质性提高杂交稻稻米品质开辟了一条崭新的育种途径。

由本研究结果可知，在目前生产上大面积利用的许多优质保持系和恢复系中分别存在着XY型雄性不育细胞质的保持系和恢复系，利用这些优良种质资源可以尽快实现XY型雄性不育细胞质在生产上的配套利用。

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BREEDING OF CYTOPLASMIC MALE STERILE LINE DERIVED FROMPRESL. AND IDENTIFICATION OF ITS RESTORING AND MAINTAINING RELATIONSHIP

*ZHENG Zhuo1, SUN Hui-min2, WANG An-ping1, HU Xue-hua1, LIU Zheng-wei1, LIU Ke-ke1, XU Dong-feng1

(1. School of Life Sciences, Jinggangshan University, Ji′an, Jiangxi 343009, China;2. Postdoctoral Scientific Research Station, The Key Laboratory of Biodiversity and Ecological Engineering of Jiangxi Province,Ji’an, Jiangxi 343009, China)

Xiaoye 1A was obtained through nuclear substitution of the natural male sterile individuals fromPresl. with the nuclear of outstanding progenies of Y58S/ Neixiang B by backcrosses. Because of the male sterile cytoplasm derived fromPresl., it’s named as the XY type male sterile cytoplasm. The results showed that the male sterile line with XY cytoplasm was different from WA, ID, K and HL male sterile lines(table 2 and table 3) in the relationship between restorer lines and maintainer lines. Part restorer and maintainer lines of WA, ID, K and HL could be used as the maintainer lines of XY cytoplasmic sterile line, and parts of them could be used as its restorer lines. It was a newly found resource of rice male sterile cytoplasm. XY cytoplasm was free from the genetic confinement of the relationship between the restorer lines and maintainer lines of WA，ID, K and HL, enlarging the circle of maintainer lines so that good cultivated cultivars could be developed into fine male sterile lines. Therefore, the creation of the XY type sterile cytoplasm, not only enriches the genetic diversities of hybrid rice, but also opens up a new way to breed the high standard of fine quality male sterile lines, and substantially improve the grain quality of hybrid rice.

rice；CMS；XY-CMS；restoring and maintaining relationship

1674-8085(2015)04-0101-06

S511/Q943.1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.04.020

2015-03-06；修改日期：2015-06-06

国家自然科学基金项目（31460340）；江西省教育厅科技计划项目（GJJ1528）；江西省教育厅科技落地计划项目（12033）；江西省科技厅科技支撑计划项目（20112BBF60008）

*郑 卓(1973-)，男，湖北竹溪人，副教授，博士，主要从事水稻遗传育种研究(E-mail：zhengzhuodai@126.com);

孙惠敏(1985-)，女，河北唐山人，博士后，主要从事水稻遗传育种研究(E-mail：huimin729@163.com);

王安萍(1971-)，女，江西吉安人，实验师，硕士，主要从事遗传学研究(E-mail：jskwangap@126.com);

胡雪华(1977-)，女，江西峡江人，实验师，硕士，主要从事植物学研究(E-mail：huxuehua1210@126.com);

柳正葳(1977-)，女，江西井冈山人，实验师，硕士，主要从事植物学研究(E-mail：lwei7712@yahoo.Com.cn);

刘科科(1986-)，男，陕西洛南人，助理实验师，硕士，主要从事动物遗传研究(E-mail：liukeke-1986@126.com);

许东风(1965-)，女，江西永新人，教授，主要从事遗传学研究(E-mail：xudongfeng@jgsu.edu.cn).