水稻秈粳雜交產(chǎn)生兩系核不育株的初步研究

呂銳玲+蔡星星+周強(qiáng)+張盛+李興華+王歡

摘要：在水稻（Oryza sativa L.）兩系核不育研究過程中，用S1325（母本，秈粳雜交偏秈材料）與9663-1（父本，粳型材料）雜交，在其雜交后代F4中出現(xiàn)不育株，不育株花粉鏡檢為典敗、套袋自交結(jié)實(shí)率為0，與同株系可育株雜交，其F1可育株與不育株出現(xiàn)1∶1分離，與三系保持系雜交，其F1結(jié)實(shí)正常，結(jié)實(shí)性表現(xiàn)完全恢復(fù)，不育株再生苗經(jīng)21 ℃冷水處理，其花粉育性恢復(fù)正常并可正常結(jié)實(shí)，由此確定該不育株為兩系不育株；又對(duì)雙親及其后代不育株進(jìn)行6 K水稻全基因組芯片分析，排除不育株是來自外來花粉串粉的可能性，由此推測(cè)秈粳雜交后代可以產(chǎn)生新的兩系核不育株。這是關(guān)于秈粳雜交可以創(chuàng)造新兩系不育系的首次報(bào)道。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；兩系核不育；秈粳雜交；基因芯片

中圖分類號(hào)：S334.3；S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）14-2610-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.003

Abstract： We crossed indica-clinous S1325 as female parent with japonica rice 9663-1. At F4 generation， many sterile plants were found，whose pollens were abortive，and seed setting rates were close to 0. When three sterile plants crossed with three fertile plants，the ratio of fertile plant with sterile plant is 1∶1 at F1 generation. When crossed with maintainer of three lines hybrid rice，the sterility of F1 generation was normal. When treated under the condition of 21 ℃ cold water，the sterility of regenerated young plants returned to normal. Thus，it was confirmed that these sterile plants were photo-thermo sensitive sterile lines. Rice genome 6K-microarray analysis was carried out on both parents and their generations and eliminated the possibility of foreign pollination. So a conclusion could be inferred that indica-japonica hybriding could produce new photo-thermo sensitive sterile lines. This is the first report about obtaining photo-thermo sensitive sterile lines by indica-japonica hybriding.

Key words： rice（Oryza sativa L.）； genic male steriie of two-line； indica-japonica hybriding； gene microarray

水稻（Oryza sativa L.）兩系不育系（農(nóng)墾58S）自1973年由石明松[1-3]在粳稻品種農(nóng)墾58中發(fā)現(xiàn)后的幾十年間，中國的兩系雜交稻快速發(fā)展。據(jù)國家水稻數(shù)據(jù)中心的信息顯示，在2009-2011年，雜交水稻每年推廣面積排在前十名的品種中兩系的品種有5個(gè)，連續(xù)3年推廣面積居前三名的都是兩系雜交稻[4]。到2012年，雜交稻年推廣面積前十名的品種中兩系品種上升到6個(gè)，已經(jīng)超過了三系雜交稻[4]。目前兩系雜交稻已經(jīng)成為中國水稻生產(chǎn)中不可或缺的類型，在保障糧食安全生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[5]?，F(xiàn)在生產(chǎn)上應(yīng)用的兩系核不育系主要是由農(nóng)墾58S衍生出來的實(shí)用兩系不育系。另外，1987年鄧華鳳在秈稻三交組合后代中也發(fā)現(xiàn)秈型兩系核不育株并育成安農(nóng)1S[6]，后來還有研究者發(fā)現(xiàn)的株1S[7]和賀S[8]等兩系不育系，在生產(chǎn)上也有應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)記載[5]目前已知兩系不育系產(chǎn)生的來源大致有①自然突變。農(nóng)墾58S和賀S都是從水稻品種中發(fā)現(xiàn)的自然突變株經(jīng)過選育而成；②雜交與復(fù)交。安農(nóng)S是在40/H285//6209-3的F3中發(fā)現(xiàn)的自然不育株；③遠(yuǎn)緣雜交。衡農(nóng)S[9]和長S[10]都是通過野生稻作為親本之一選育獲得的兩系不育系。但自然突變株是否是田間串粉引起的、所串的花粉來源是什么以及遠(yuǎn)緣雜交種的野生稻又是哪種類型的種質(zhì)，文獻(xiàn)記載的都不清楚，而對(duì)于兩系不育系究竟是怎么產(chǎn)生的這個(gè)問題又鮮有研究。筆者近幾年研究發(fā)現(xiàn)秈粳雜交后代可產(chǎn)生不育株，這些不育株在低溫下孕穗轉(zhuǎn)為可育株，高溫下又表現(xiàn)不育特性。這些不育株完全符合兩系不育系的定義，所以筆者推測(cè)秈粳雜交可以產(chǎn)生或創(chuàng)造新的兩系不育系資源。

1 材料與方法

1.1 親本來源

母本：K4806（引自寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甬優(yōu)6號(hào)的父本。）為秈粳雜交偏秈材料，無色稃尖；父本：9663-1為粳型材料，紫色稃尖，均為育性正常材料。

2013年湖北S1325（S1325為田間自編號(hào)，就是K4806）與9663-1雜交，同年海南種F1（編號(hào)13H1104），收單株留種；2014年湖北種F2（編號(hào)14Y2039），收單株留種，同年海南種F3（編號(hào)14H3001），收單株留種；2015年湖北種F4（編號(hào)15Y4002），選不育單株鏡檢、割蔸，再生苗低溫處理，單株收種，2015年海南種F5（15HA71）；2016年湖北種F6（編號(hào)16YA40）。

1.2 不育株育性觀察

筆者于2015年7-8月在黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田里發(fā)現(xiàn)秈粳雜交組合S1325/9663-1F4代材料15Y4002（共50株）有12株表現(xiàn)不育。對(duì)這些不育株的花藥進(jìn)行KI染色，顯微鏡下觀察花粉育性。同時(shí)對(duì)不育株套袋自交，20 d后（即8月7日）觀察結(jié)實(shí)率。將不育株割蔸再生分蘗，待幼穗分化4期移入21 ℃冷水池中處理，10 d后移出，抽穗時(shí)鏡檢，后期統(tǒng)計(jì)結(jié)實(shí)率。

1.3 不育基因的育性類型檢測(cè)

首先，調(diào)查F4代15Y4002中可育株與不育株的分離比例；其次，用15Y4002株系中的3個(gè)可育株與3個(gè)不育株雜交，調(diào)查F1可育株與不育株比例；第三，用3個(gè)不育株與3個(gè)三系野敗保持系即15YEA14、15YEA58和15YEA94（這3個(gè)保持系均為溫229/巨風(fēng)B后代）雜交，跟蹤調(diào)查F1代不育株與可育株的分離比例。

1.4 不育株和可育株與其父母本多態(tài)性檢測(cè)

16YA40表現(xiàn)為不育，16YA44（另一個(gè)秈粳雜交后代株系）表現(xiàn)為可育，它們的農(nóng)藝性狀介于雙親之間。為了排除田間花粉漂移導(dǎo)致的自然雜交，我們將16YA40、16YA44、S1325及9663-1的葉片取樣送往中國種子集團(tuán)武漢生命科學(xué)中心進(jìn)行6K基因組芯片分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不育株育性觀察

不育株表現(xiàn)為包頸，花藥瘦小呈無色透明狀，鏡檢有少量典敗類型花粉。對(duì)15Y4002的12個(gè)不育株進(jìn)行套袋自交，20多天后（即8月7日）觀察發(fā)現(xiàn)所有不育株自交結(jié)實(shí)率為0。

原始不育株割蔸后再生，在幼穗分化4期時(shí)（8月17日）移入21 ℃冷水池中處理10 d后移出，9月3日鏡檢已經(jīng)抽穗的再生穗并整株套袋，鏡檢結(jié)果顯示花粉粒淀粉充實(shí)可染，套袋自交結(jié)實(shí)正常，表明該不育株為兩系核不育株。

2.2 不育基因的不育類型檢測(cè)

因2015年種植F4群體過小，于是2016年在黃岡再次種植14Y4002（冷庫留存種子）179株，其中可育株140株，不育株39株，卡方檢驗(yàn)結(jié)果為0.82，符合3∶1分離比，說明不育性狀受一對(duì)隱形基因控制。

觀察2015年海南種植F1代的育性，研究發(fā)現(xiàn)，3個(gè)不育株與3個(gè)可育株雜交均表現(xiàn)10株可育和10株不育，比例為1∶1，表明該不育株不育性狀受一對(duì)隱性基因控制，其中不育株早抽穗部分可育但再生穗不育，結(jié)合氣象因素分析，原因很可能是先抽穗的在孕穗期遇到低溫而表現(xiàn)為可育，后抽穗的分蘗孕穗期溫度較高轉(zhuǎn)為不育，這符合兩系核不育系的特性。

3個(gè)不育株與3個(gè)三系保持系雜交均結(jié)實(shí)正常為可育，初步表明不育性狀是受隱性核基因控制的。不育株再生穗經(jīng)21 ℃冷水處理后收的種子繼續(xù)在海南種植早抽穗可以正常結(jié)實(shí)，遲抽穗表現(xiàn)花粉出現(xiàn)敗育現(xiàn)象，也是符合兩系不育系的特性。

2.3 秈粳雜交后代與父母本親緣關(guān)系檢測(cè)

16YA40和16YA44的芯片結(jié)果顯示，該芯片共檢測(cè)4 473個(gè)有效標(biāo)記，較均勻地分布于12條染色體。其中1 869個(gè)標(biāo)記在雙親間存在多態(tài)性，兩個(gè)秈粳雜交后代材料的檢測(cè)結(jié)果都沒有發(fā)現(xiàn)異于兩個(gè)親本的染色體片段（圖1、圖2）。

3 討論

對(duì)于秈粳雜交后代出現(xiàn)兩系核不育現(xiàn)象，筆者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的出現(xiàn)有3種可能：①秈粳雜交可以產(chǎn)生兩系核不育現(xiàn)象。秈稻亞種和粳稻亞種之間存在生殖隔離，秈粳雜交后代產(chǎn)生不育株作為一種常見現(xiàn)象被大家所接受，20世紀(jì)70-90年代，中國有研究者對(duì)秈粳雜交產(chǎn)生的三系不育株進(jìn)行了研究，并由此選育出了一系列的三系不育系，如黎明A、農(nóng)虎26A、秋光A、黃金A等秈粳雜交偏秈類型的不育系[11，12]。其中云南農(nóng)業(yè)大學(xué)稻麥研究所選育的滇一型“紅帽纓”不育系[13]和四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻高粱研究所選育的K型不育系[14，15]都轉(zhuǎn)育出了系列的衍生不育系，并且利用這些衍生不育系配出的很多組合都通過了當(dāng)?shù)氐膮^(qū)試審定，應(yīng)用的范圍比較廣。此外在20世紀(jì)80年代研究者們還選育出秈粳雜交偏粳類型的不育系[12]。但是對(duì)秈粳雜交能否產(chǎn)生兩系核不育株以及對(duì)秈粳雜交所產(chǎn)生的兩系核不育株的研究卻沒有。②秈粳雜交組合F1代或F2代與外來的帶有兩系核不育基因的花粉串粉導(dǎo)致F4代分離出不育株。③在收獲種子及種植等環(huán)節(jié)出現(xiàn)了機(jī)械混雜現(xiàn)象。從出現(xiàn)不育株株系的性狀表現(xiàn)來看，它們與其他可育株系也比較接近，與雙親性狀均有相似性，而且分離也不是很大，基本可以排除②（如果是這種可能性，15Y4001就相當(dāng)于F3或F2代，分離是很大的）或③這兩種可能性。同時(shí)，利用基因芯片檢測(cè)了子代和親本之間的多態(tài)性，沒有檢測(cè)到15Y4001后代中分離出的不育株和可育株攜帶有除雙親之外的基因位點(diǎn)。這就完全排除了②和③的可能性，由此推測(cè)出秈粳雜交可以產(chǎn)生兩系核不育現(xiàn)象這一結(jié)論。

雖然現(xiàn)在可以推測(cè)出秈粳雜交可以產(chǎn)生兩系核不育株，但秈粳產(chǎn)生兩系核不育株的機(jī)理是什么，是由哪些基因發(fā)揮作用的以及不育基因與現(xiàn)有兩系不育基因是否等位遺傳等還需進(jìn)一步研究。另外，既然秈粳雜交可以產(chǎn)生兩系核不育株，那么，秈秈交、粳粳交能否也能產(chǎn)生兩系核不育株，這些都值得進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 石明松.晚粳自然兩用系選育及應(yīng)用初報(bào)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，1981（7）：1-3.

[2] 石明松.對(duì)光照長度敏感的隱性雄性不育水稻的發(fā)現(xiàn)及技術(shù)研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1985，18（2）：44-48.

[3] 石明松，鄧景揚(yáng).湖北光周期敏感核不育的發(fā)現(xiàn)、鑒定及其利用途徑[J].遺傳學(xué)報(bào)，1986，13（2）：107-112.

[4] 黃惠芳，鄂志國，祁永斌，等.中國兩系雜交稻的發(fā)展現(xiàn)狀及光溫敏雄性不育基因研究進(jìn)展[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，27（5）：893-899.

[5] 斯華敏，付亞萍，劉文真，等.水稻光溫敏雄性核不育系的系譜分析[J].作物學(xué)報(bào)，2012，38（3）：394-407.

[6] 鄧華鳳，舒福北.安農(nóng)S-1的研究及其利用概況[J].雜交水稻，1999，14（3）：1-3.

[7] 石天寶.水稻低溫敏兩用核不育系株1S與陸18S[J].作物研究，2004，18（4）：235-236.

[8] 蒙秀鋒，李秀英.秈型水稻溫敏核不育系賀S的選育及應(yīng)用[J].雜交水稻，2001，16（6）：11-13.

[9] 蔣佐升，徐慶國.秈型兩用不育系衡農(nóng)S-1育性轉(zhuǎn)換及遺傳的研究[J].作物研究，1992，6（2）：12-14.

[10] 鄭 卓，張蓓玲，段世華，等.水稻新資源溫敏核不育系長S的遺傳學(xué)研究[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2012，13（6）：979-983.

[11] 羅崇善.我國水稻三系資源的類型和利用[J].作物雜志，1988（3）：1-4.

[12] 羅崇善，袁隆平.雜交水稻種質(zhì)資源研究利用概況[J].作物品種資源，1990（1）：5-9.

[13] 云南省雜交水稻優(yōu)勢(shì)利用研究協(xié)作組.滇型“三系”選育[J].北方水稻，1976（Z2）：32-36.

[14] 王文明，文宏?duì)N.水稻一種新雄性不育細(xì)胞質(zhì)的選育與利用[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，13（2）：135-139.

[15] 王文明，文宏?duì)N，袁國良，等.K型雜交水稻的選育與研究[J].雜交水稻，1996，11（6）：11-13.