第一部分文献综 15 这种变异可能破坏了叶绿体与细胞核、线粒体之间固有的平衡,从而导致CMS形成。 李继耕也得到同样的结论,他还对叶绿体蛋白,叶绿体超微结构进行了研究,发现不育 系和保持系之间存在差异,它认为CMS与叶绿体DNA,叶绿体蛋白以及叶绿体超微结 构之间存在某些联系是肯定的。叶绿体DNA的突变引起它所编码的一系列特性的变化, 使雄性不育性受到影响也是可能的围,8812。刘祚昌对小麦CMS系及其保持系的 RUBP羧化酶进行研究分析,发现在等电聚焦电泳图上,该酶由核基因控制的小亚基在 两系间不表现差异,而由叶绿体基因组控制的大亚基则有差异,而且发现CMS系的 RUBP羧化酶活性高于相应的保持系,说明RUBP羧化酶与CMS系之间存在着一定的 关系。李家洋(1986)研究认为CMS与保持系的叶绿体类囊体膜多肽有显著差异,在 双向电泳图中,两系在33kd附近肽斑的大小、数量和分布均不同,从而暗示叶绿体类 衰体膜多肽的组成与CMS之间可能有某种联系 目前, mtDNA与CMS的关系似乎更靠近一些,而 cpDNA与CMS的关系结论不 这与叶绿体具有相对保守性是分不开的。CMS不育的分子机理在植物中的研究较 为广泛深入,而在小麦中的研究较少,对小麦雄性不育机理的深入研究,将很有助于小 麦杂种优势利用中最佳不育途径的创建。 §3小麦雄性不育系的创制 §31创制小麦雄性不育系的方法 创制不育系的方法很多,一般可分为原始不育系的创制和优良不育系的转育。 §311回交转育法 回交转育是创制不育系最常用的方法,多以某一不育类型不育系为母本,常规品种 或高代品系为轮回亲本,进行直接回交转育小麦、水稻等作物不育系转育都采用这一方 。其具体做法是,针对某一已选育的不育系在某一方面所带有的缺陷,采用经测交筛 选证明与该不育系含有相同核内育性基因的某优良品种为轮回亲本,连续进行核置换回 交,以育成新的不育系如图I-1所示 不育系 甲品种 ♀s(msms) N(msms)♂ S(msms) X ↓回交7-8代↓ s(msms) N(msms) 甲品种不育系 甲品种保持系 图I-1直接回交法转育不育系的遗传模式
粘类小麦雄性不育系育性特异性研究及其快速定向转育体系的建拓 §312人工创造保持系法 这种方法主要用于不育系不育基因较专一,直接以回交转育校难成功时采用。如 粘、易型不育系最早创制始于1978年, Tsunewaki将斯卑尔脱小麦变种杜哈迈里 (T, spla var duhamelianum),莫迦小麦(T. macha var subletschchumicum)和普通小麦 1BL/RS易位系莎尔蒙( Salmon)的核基因组分别转入到粘果山羊草( e kotschy)和 易变山羊草(Ae. variabilis)细胞质中,结果表现完全不育,而其它绝大多数小麦都是 这两种山羊草胞质不育系的恢复系,其恢复源远远大于T型不育系。但就粘果山羊草和 易变山羊草胞质在杂种小麦中的利用而言,一个比较严重的细胞质效应是,在1BL/RS 核背景下,现有的粘、易型雄性不育系都产生一定频率的单倍体,部分频率高达80%以 上4,,而在斯卑尔脱与莫迦小麦核背景下,却尚未发现有单倍体产生,这一特性成 为区别粘、易型不育系是属于1BLRS不育还是非1BL/RS不育的一个重要标记。然 而,斯卑尔脱与莫迦小麦不育型虽不产生单倍体,但现有保持系斯卑尔脱和莫迦小麦为 非栽培品种,在现有栽培普通小麦中含有与斯卑尔脱与莫迦小麦同样不育基因的亲本材 料并不多,要以更适宜组配杂种小麦的优良亲本来替换斯卑尔脱与莫迦小麦,就得采用 人工创制保持系的方法来进行。一般人工创制保持系,最常用的方法是模拟“洋葱公式” ( The method of maintenance line developed in onion)的方法,即首先在洋葱中所采用过 的方法(图I-2)。 §313利用异质小麦置换回交法 直接利用异质小麦也可创制具有异种细胞质的小麦雄性不育系。如:张改生等 1983)12.18.1以美国引进的具有粘果山羊草细胞质的异质小麦(A. tschi) chris 为细胞质供体,以国内选育出的一些优良 IBL/IRS易位品种(系)77(2),822,偃师 9号等作为轮回亲本进行回交置换,亦选育出一批不育性稳定,农艺性状优良,易恢复 易保持的粘型小麦雄性不育系,并较好地实现了“三系”配套(图I-3) 以同样的方法,他们亦获得了具有偏、易和二角型小麦不育系特别值得一提是, 在前述偏、粘、易和二角型1BL1RS小麦不育系基础上,张改生等(1994)又以偏 粘和易型稳定全不育ms( de ventricosa)-77(2),ms(Ae. kotschy)7(2)和 ms(e. variabilis)-77(2)为不育胞质背景,以一批优良的小麦品种(系)及部分亲本 材料为父本,以诱导单倍体和易恢复性为选择指标,采用测交,置换回交和转育等方 法,并结合细胞学镜检,首次又成功地将带有rfvl基因的非1BL1RS普通小麦栽培 品种与偏凸、粘果和易变不育胞质结合,创制出了稳定的偏、粘和易型非1BL/1RS 小麦雄性不育系,不仅克服了1BLRS不育系产生单倍体的缺点,而且提高了其育 性恢复性,只要含有主效恢复基因Rfvl的小麦品种(系)均能恢复其育性,且F1杂 种恢复度大都在85%90%以上网
第一部分文献妳述 .杂交[粘果山羊草质(斯卑尔脱小麦) 警通小麦飈质(优良品系) K(rfvrfv)I 2.回交 K(RvM×A(RR 3回交后代同一单 〖K(RfvN)可育 K(RR)〕可育 株分穗进行自 A(RMRM河可育 A(RvRv可育 离和再回交 XIK(RKYREV] (K(RfvRfv)) (K(RtV-) Krv)K(Rr2〖K(RR 全可育 育性分离 可育 重复进行回交后代同一单株的分穗自交与回交,直到后代 株系农艺性状与轮回父本相似又核内含有不育基因币止 4.回交后同一 单株分穗自交 K(Rfr可育 和反回交 [ARIVREV)X 可育(人工去雄) K(RIvREv) [K(Rfyrfv) [K(ofvrfv)]. [A(Rfvrtv) JA(RfVRf) 可育⑧ 可育⑧ 可育 不育 5自交、测交〖 K(RIVR][K(R〗〖K(rvl K(Rfvrfv) [A(RivRfv)] 鉴定育性可育淘汰)可育(淘汰)不育 可育淘汰)可育(淘汰) K(Rfvrfv)][K(rfvrfv)] 育性分离 [A(RivRi)] [A(Rivrfv A(rfvrfy 育 6°选保持 K(Rfvriv 可育(汰)ⅨK可育淘沈)全不育"Arvt)新保持系 育性分离 性状改良后可育(淘汰) 淘汰) 的不育系) (K-粘果山羊草胞质,A普通小麦胞质:[]轮回父本核置换次数:(R)显性两种可能基因型 图I-2由粘一斯卑尔脱不育系选育保持系程序示意图
粘类小茭雄性不育系育性特异性研究及其快速定向转育体系的建拓 粘果山羊草 普通小麦 ccSS A AABBDD 异质小麦Chis普通小麦1BU1RS易位系 区B:B BLRs·BLRs 区B· BUIRS X囚BLRs:BL/RS 区BLRs· BU/IRS X囚BURs:BLRs 囚或图B·1B×区 BU/IRS.1BU/IRS四 IBUIRS-lBU/IRS 恢复系 不育系 保持系 区B:BLRs 杂种 注:cu"ss, AABBDD:分别代表山羊草和普通小麦染色体组:区和囚分别代表粘果山羊草 和普通小麦的细胞质:IB:代表1B染色体: IBUIRS:代表1B长臂和1R短臂的易位染色体, 图I-3直接利用异质小麦创制具有异种细胞质的小麦雄性不育系示意图 此外,程俊源等以粘果山羊草(Ae. Kotschy为母本,中国春和云南铁壳麦为桥梁亲 本,先进行远缘杂交,然后用普通小麦781等为轮回亲本,与其测交并连续回交,也 育成了如K-1978-1A等小麦雄性不育系。魏正平(1988191)等连续四年在黑龙江 对小麦粘型和偏型不育系进行回交转育,打破了黑龙江省春麦区只有“T”型胞质不育 系的局面,实现了新型“三系”的配套吴郁文等以粗厚山羊草( de. crassa,2n=6x=42 DDD2D'MM)为细胞质供体,经过远缘杂交和置换回交亦育成具有D2型细胞质小麦雄 性不育系 frackowiak等(1976)1曾还报道:根据木原的研究粗山羊草(Ae, squarrosa) 细胞质对硬粒小麦染色体组(AABB)表现雄性不育,而对普通小麦染色体组表现雄性 可育,其育性恢复基因位于1D染色体长臂,提出在粗山羊草细胞质背景下通过人工诱 导1D染色体突变,转化为不育基因,这种不育基因与粗山羊草细胞质互作表现为雄性 不育,而转入普通小麦细胞质则表现为雄性可育,这就可能创制出一种具有粗山羊草细 胞质的不育一恢复系统。遗憾的是,经过多年研究,尽管这种思路很好但其不育小麦迄 今还未能成功产生,Man和 Lucker(1988)15还报道小麦及其一些近缘种属中,存在 种种质专化核基因Scs( The Species-cytoplasm- specific nuclear genes),该基因与外源 细胞质互作可以引起雄性不育,其不育性可通过该不育细胞质供体种的Rf基因和另一 种非细胞质专化性活性基因v( he vitality-gene)的结合来恢复。据此,可将一些异源种 属(提莫菲维小麦,拟斯卑尔脱山羊草)和Scs基因导入到具有粗山羊草或其它细胞质
第一部分文献综述 的可育异质小麦核中,来培育新型的不育一恢复系统 §314利用染色体工程技术创制不育系 染色体工程技术为小麦雄性不育的研究和创制提供了极好的条件。小麦核型雄性不 育的主要问题是难以获得稳定的雄性不育保持系,即难以实现三系配套生产杂交种子 Diso利用染色体工程技术设计了XYZ体系解决了核型雄性不育系的保持问题(图I Z系(2n=42,rrf×x系(2n=44,rfrf· Rf-HP/RE-HP) Y系(2n=43,rfrf·RfHP) 自交 约25%Y型植株,约75%Z型植株, 雄性可育,毛穗轴,雄性不育 花前拔除。 (rig)×Y型(保持系 (rfrf·RfHP) ,系×优良品种 (2n=42,rfr 恢复系 2n=42 FrF) F1优势杂种,可育(2n=42,Rfrf 图I-4利用XYZ体系配制核型杂种小麦示意图 在利用染色体工程创制核型不育系中,另一个成功事例是黄寿松等将蓝粒小麦附 加系所携带的蓝色胚乳基因和育性恢复基因的4E染色体,附加到小麦核型雄性不育系, 选育出具有蓝色标记的小麦核雄性不育、保持系,称为蓝标型(或BM型)小麦雄性不 育、保持系。其小麦籽粒颜色分离为深蓝(可育,2n=44),浅蓝(可育,2n=43,可进 一步用来繁殖雄性不育和保持系)白粒(2n=42)雄性不育(图I-5) 白粒雄性不育2n=42 浅蓝粒可育2m=4 通小麦品种 深蓝粒可育2n=44 杂种F 图I-5蓝标型小麦雄性不育创制及三系配套示意图
粘类小麦雄性不育系育性特异性研究及其快速定向转育体系的建拓 另外,国外很多研究者还提出利用杀配子基因创制新型雄性不育的设想,但截止目 前还尚未有成功的报道31313214618.13.1.18.18 §315用生物技术方法创制不育系 随着生物技术的发展和不断完善,许多研究者试图通过生物技术的方法来获得雄性 不育。如 Mariani等, Koltunow等,Li等分别将白喉毒素和两个不同的核糖核酸 酶( Rnase TI和 Barnase)基因进行融合,通过含抗除草剂基因的植物双元表达载体转 化烟草,得到转基因雄性不育烟草和油菜,再如 Schmulling等将农杆菌 Rhizogenes A的T-DNA间的rolc基因与CaM35s启动子串联成嵌合基因转化烟草,结果rolc基因 在转基因植株中的系统表达,出现雄性不育植株。另外, Spend等将农杆菌的rolB基因 与金鱼草的tapl启动子融合后转化烟草,也出现了雄性不育植株 1992年,小麦的基因转化获得突破,不仅转基因小麦培育成功,而且用于双子叶植 物转基因的所有方法几乎都可以应用于小麦基因转导,目前已经导入小麦并在转基因 植株中得到表达的目的基因主要有:改良小麦品质的基因:抗病基因;雄性不育基因; 抗除草剂基因等。 De Block等以水稻花药绒毡层特异性启动子,CA驱动核糖核酸酶 基因 Barnase在转基因小麦中表达,从而创造出世界上第一株基因工程雄性不育小麦。 肖兴国利用烟草花药绒毡层特异启动子TA29也创制出基因工程雄性不育小麦,李艳 红等以肌动蛋白基因为基础构建新的雄性不育基因导入小麦,试图获得雄性不育株 以建立一个新的小麦雄性不育体系。 尽管转基因雄性不育研究取得了显著进展,但由于种种原因,转基因雄性不育体系 应用还要经历很长的一段时间。 §32不育系创制中应注意的一些问题 回交转育不育系,一般来说有一定的随机性和盲目性。因此,为了达到选育优良不 育系的目的,首先对转育亲本而言,应选择那些转育后不育性稳定,配合力强,具有较 好异花授粉能力的亲本。 保持系异花授粉能力:包含散粉能力和作为不育系后的接受花粉能力两方面。这就 要求保持系不仅花药外露率高,花丝长,花粉量大,而且柱头要充分外露,表面积大 存活、开颖时间长,开颖角度大才行。 §4粘类小麦雄性不育系的研究进展 41粘类小麦雄性不育系育性恢复的遗传机理研究 粘类小麦雄性不育系是指具有粘果山羊草( de kotschyi)、易变山羊草( Ae variabilis 偏凸山羊草( de ventricosa)和二角山羊草( Ae bicornis)细胞质等不育系的总称。粘类 小麦不育系中存在两种不育方式,一类是由正常核型不育基因引起的初级不育,如非