第一部分文献综述 利用杀配子基因来建立小麦核不育杂种优势利用体系N14613B 5125核质杂种 核质杂种指一个物种的细胞核被另一物种的核置换后所产生的纯核异质体,其性状 表现常是不同物种的细胞质和细胞核共同作用的结果。 国内外不学者曾对小麦核质杂种进行了广泛的研究,而且对核质杂种的研究利用 也日益重视,核质杂种一般通过回交置换的方法获得.a939发现节节麦细胞质 与普通小麦核形成的核质杂种很少出现细胞质不良效应,如:具有节麦细胞质的格涅 斯( Gaines),表现早熟、抗病、蛋白质含量高而且高产等。许多研究表明,小麦近缘 种属,如山羊草、簇毛麦、野生燕麦等细胞质都可用于核质杂种的细胞质源。杨天章 (95)研究认为,在卵圆山羊草( (Ae oval)细胞质背景下,小麦大多数所测性状和 株高抗倒伏,每穗小穗数,每穗粒数都有明显的核质优势。张夫勤培育出一些具有野 生燕麦种质的核质杂种,其主要特点是高抗白粉病和锈病。张文样等(9)报道,具 有粗厚山羊草细胞质的核质杂种NC3NQ4、NC3J抗早,耐盐碱,已在山西、山东、 河北试种20m以上利用核质杂种优勢兼具雄性不育杂种优势利用和纯系育种两种 育种方法的特点,选育成功后不需年制种,能稳定地保持其杂种优势 §126几种方法相互结合利用小麦杂种优势 目前,小麦杂种优势利用已取得了一定的进展,为了发挥小麦杂种优势的更大潜力, 近年,不少研究者采用几种方法相接合来利用小麦杂种优势。如:刘雄伦等将两系技术 与杀雄剂技术相结合以生产杂种小麦,他认为光温敏核不育系辅助杀雄剂技术是突破杂 种小麦生产应用关的有效途径。张改生等正在致力于将三系同杀雄剂技术相结合生产杂 种小麦的尝试。 2小麦雄性不育与杂种优势机理研究 §21小麦杂种优势机理研究 杂种优势是一个极其复杂的遗传现象,对杂种优势遗传基础的研究,一直是遗传育 种家努力探素的重要课题,围绕杂种优势形成的原因,国内外学者做了大量的理论探讨, 提出了各种假说:Mal186曾根跟据豌豆的杂种优势现象提出了杂种活力 Daw876认为,杂种是由于两性因素具有某种程度的分化所致:Daw9 提出有利显性因子学说;Bce(91提出显性假说,1oe97又进一步将显性假说 补充为显性连锁基因假说,简称显性假说阏;Sul(198)提出超显性假说: M_:9,尔实1964等提出遗传平街假说:以及ow94提出的相乘效应 学说等甲,但至今杂种优势还没有一个完满的解说,仍在探讨之中
第一部分 文献综述 利用杀配子基因来建立小麦核不育杂种优势利用体系141. 42. 45. 124. 129. 130, 148气 ' 1.2.5 核质杂种 核质杂种指一个物种的细胞核被另一物种的核置换后所产生的纯核异质体，其性状 表现常是不同物种的细胞质和细胞核共同作用的结果。 国内外不少学者曾对小麦核质杂种进行了广泛的研究，而且对核质杂种的研究利用 也日益重视，核质杂种一般通过回交置换的方法获得。Kihara(1973)发现，节节麦细胞质 与普通小麦核形成的核质杂种，很少出现细胞质不良效应，如:具有节节麦细胞质的格涅 斯 (Gainies )，表现早熟、抗病、蛋白质含量高而且高产等。许多研究表明，小麦近缘 种属，如山羊草、簇毛麦、野生燕麦等细胞质都可用于核质杂种的细胞质源。杨天章 (1985)研究认为，在卵圆山羊草 (Ae. ovata)细胞质背景下，小麦大多数所测性状和 株高，抗倒伏，每穗小穗数，每穗粒数都有明显的核质优势。张庆勤培育出一些具有野 生燕麦种质的核质杂种，其主要特点是高抗白粉病和锈病。张文祥等 (1996)报道，具 有粗厚山羊草细胞质的核质杂种 NC3, NC4. NC37抗早，耐盐碱，己在山西、山东、 河北试种2000hm2以上。利用核质杂种优势兼具雄性不育杂种优势利用和纯系育种两种 育种方法的特点，选育成功后不需年年制种，能稳定地保持其杂种优势[441 互1.2.6 几种方法相互结合利用小麦杂种优势 目前，小麦杂种优势利用己取得了一定的进展，为了发挥小麦杂种优势的更大潜力， 近年，不少研究者采用几种方法相接合来利用小麦杂种优势。如:刘雄伦等将两系技术 与杀雄剂技术相结合以生产杂种小麦，他认为光温敏核不育系辅助杀雄剂技术是突破杂 种小麦生产应用关的有效途径。张改生等正在致力于将三系同杀雄剂技术相结合生产杂 种小麦的尝试。 芬2 小麦雄性不育与杂种优势机理研究 荟2.1 小麦杂种优势机理研究 杂种优势是一个极其复杂的遗传现象，对杂种优势遗传基础的研究，一直是遗传育 种家努力探索的重要课题。围绕杂种优势形成的原因，国内外学者做了大量的理论探讨， 提出了各种假说:Mendel (1866)曾根据豌豆的杂种优势现象提出了杂种活力: Darwin (1876)认为，杂种是由于两性因素具有某种程度的分化所致;Davenpote (1908) 提出有利显性因子学说;Bruce (1910)提出显性假说，Jones (1917)又进一步将显性假说 补充为显性连锁基因假说，简称显性假说1461; Shull (1908) [1761提出超显性假说: Mather (1942)，杜尔宾(1964)等提出遗传平衡假说:以及Powets (1944)提出的相乘效应 学说等[4'1,48 1，但至今杂种优势还没有一个完满的解说，仍在探讨之中
粘类小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 521显性假说( Dominance Hypothesis) 出Bnae(90最先提出,认为杂种优势的表现与杂交亲本的显性基因频率差异程 度有关,后经Jo(9)等进一步补充发展为显性基因互补假说,认为杂种优势是 双亲的显性基因全部聚集在杂种中而引起的互作用。这个学说是基于大多数显性基因 对个体生长发育有利,相对的隐性基因对个体生长发育不利、而显性基因的存在掩盖了 隐性基因的表达,显性基因的聚集增加了杂合孑代的生长势。但杂合个体自交或近交后 将増加群体中纯合体的出现,使隐性基因表达的有害性状会因出现一定的频率,而造成 自交后代袁退。 在很大程度上,显性假说强调的都是显性基因作用对作物杂种优势的贡献。然而, 有些具有杂种优势的性状,如产量性状等,为数量性状,涉及到很多微效基因約作用, 并且有害的隐性基因和有利的显性基因常常连锁,因而要把有利基因全部以纯合态集中 到一个自交后代个体中的概率是很小的。尽管如此显性假说也得到了一些试验的证实 Xa等(195y3用RFLP分子标记,进行水稻数量性状杂种优势遗传基础研究,结 果表明:水稻杂种优势与整个基因组的杂合性不存在相关性,而杂种优势土要决定于亲 本显性基因的互补,即由显性基因的加性效应所决定。利用显性假说,对主要有利于基 因加性效应增进的一些育种方法,诸如一般配合力的轮回选择,自交系的聚合改良,以 及选育综合杂交种等也是一个很好的解释。 212超姐显性假说( overdominance Hypothesis) 超显性假说也称等位基因异质结合假说,该假说认为同基因座杂合基因间及不同基 因座之间是复杂的相互作用关系,而不是显隐性关系,杂种优势的产生壬要是因为基因 互作,其中包括基因座在杂合状态下基因之间的互作和不同基因座之间基因的互作(亦 称上位性互作)在杂合状态下,基因表达的水平可大大超过纯合状态时基因的表达水 平,因而杂种优势表现超过基因型在显性 情况下的表现,故而称为超显性现象 近年来,一些同工醇渚分析表明,杂种F1不仅具有显性基因的互补效应,还有杂 合性等位基因间的相互作用,该假说在一定程度上解释了下列现象和育种方法,如双亲 亲缘关系的远近与杂种优势的强弱相关性,一些紊本自交系产量和单交种产量没有直接 相关性,特殊配合力轮回选择法自交衰退及杂种一代优势难以郾定,等等 综合来看,显性和超显性这两种假说都认为杂种优势来源于遗传物质的杂合性,是 等位基因间,非等位基因阿的相互作用的结果,杂合性源于亲本间的遗传差异,而遗传 差异是由亲本在同一基因位点上等位基因的频率不同所引起通常人们用遗传距离表示 亲本间的遗传差异性,由此来探测杂合性与杂种优势的关系,张启发等将速传杂合性区 分为一般杂合性和特殊杂合性。他发现水稻品种间杂种优势与特殊杂合性的相关性显 著在研究不同生态型之间和亚种间杂种优势时,特殊杂合性与杂种优势的相关很小
枯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 ' 2.1.1 显性假说 (Dominance Hypothesis) 由Bruce(1910)最先提出，认为杂种优势的表现与杂交亲本的显性基因频率差异程 度有关，后经 Jones( 1917)等进一步补充发展为显性基因互补假说，认为杂种优势是 双亲的显性基因全部聚集在杂种中而引起的互作作用。这个学说是基于大多数显性基因 对个体生长发育有利，相对的隐性基因对个体生长发育不利。而显性基因的存在掩盖了 隐性基因的表达，显性基因的聚集增加了杂合子代的生长势。但杂合个体自交或近交后， 将增加群体中纯合体的出现，使隐性基因表达的有害性状会因出现一定的频率，而造成 自交后代衰退。 在很大程度上，显性假说强调的都是显性基因作用对作物杂种优势的贡献。然而， 有些具有杂种优势的性状，如产量性状等，为数量性状，涉及到很多微效基因的作用， 并且有害的隐性基因和有利的显性基因常常连锁，因而要把有利基因全部以纯合态集中 到一个自交后代个体中的概率是很小的。尽管如此，显性假说也得到了一些试验的证实， Xiao等 (1995) pvs[用RFLP分子标记，进行水稻数量性状杂种优势遗传基础研究，结 果表明:水稻杂种优势与整个基因组的杂合性不存在相关性，而杂种优势主要决定于亲 本显性基因的互补，即由显性基因的加性效应所决定。利用显性假说，对主要有利于基 因加性效应增进的一些育种方法，诸如一般配合力的轮回选择，自交系的聚合改良，以 及选育综合杂交种等也是一个很好的解释。 ' 2.1.2 超显性假说 (Overdominance Hypothesis) 超显性假说也称等位基因异质结合假说，该假说认为同基因座杂合基因间及不同基 因座之间是复杂的相互作用关系，而不是显隐性关系，杂种优势的产生主要是目为基因 互作，其中包括基因座在杂合状态下基因之间的互作和不同基因座之间基因的互作 (亦 称上位性互作)。在杂合状态下，基因表达的水平可大大超过纯合状态时基因的表达水 平，因而杂种优势表现超过基因型在显性情况下的表现，故而称为超显性现象。 近年来，一些同工酶谱分析表明，杂种 Fl不仅具有显性基因的互补效应，还有杂 合性等位基因间的相互作用，该假说在一定程度上解释了下列现象和育种方法，如双亲 亲缘关系的远近与杂种优势的强弱相关性，一些亲本自交系产量和单交种产t没有直接 相关性，特殊配合力轮回选择法，自交衰退及杂种一代优势难以固定，等等。 综合来看，显性和超显性这两种假说都认为杂种优势来源于遗传物质的杂合性，是 等位基因间，非等位基因间的相互作用的结果.杂合性源于亲本间的遗传差异，而遗传 差异是由亲本在同一基因位点上等位基因的频率不同所引起。通常人们用遗传距离表示 亲本间的遗传差异性，由此来探测杂合性与杂种优势的关系.张启发等将遗传杂合性区 分为一般杂合性和特殊杂合性。他发现水稻品种间杂种优势与特殊杂合性的相关性显 著，在研究不同生态型之间和亚种间杂种优势时，特殊杂合性与杂种优势的相关很小[I9[
第一部分文献综述 这说明从基因组杂合性上并不能完全解释杂种优势形成的遗传基础,因为建立在显性、 超显性假说基础上的基因型杂合性对杂种优势贡献的观点还存在很多分歧,它忽视了细 胞质基因和核质互作对杂种优势的作用。而叶绿体、线粒体遗传,细胞质雄性不育性遗 传,以及某些性状表现的正反交差异等事例都证明了细胞质和核质互作效应的存在。 5213染色体倍数对杂种优勢的贡獻 杂种优势的利用基本上集中在二倍体物种,在生产上大面积利用的以收获种子为目 的的多倍体并不多,如小麦(异源六倍体),花生(异源四倍体)等。陈绍江认为多倍 体作物杂种优势不强其原因与染色体组成有关,指出多倍体物种的杂种优势由于来 源不同分为两种,即内源优势和外源优势。内源优势是一种由植株自身基因的内在杂合 性产生的杂种优势。多倍体作物个体的内源优势一般比二倍体大,原因如下:(1)重复 基因的剂量效应;(2)基因的遮盖作用或上位效应;(3)重复基因的显性与超显性作用; (4)等位基因的互作;(5)非等位基因的互作。由于染色体上的基因数整体上是有限 的,等位基因和重复基因的效应也是有限的,因此内源优势大的作物外源优势往不高。 对自花投粉作物,特别是多倍体自花投粉作物,如小麦等,由于其内在杂合性经自然选 择已达到平衡,已难再纯化,通过杂交所产生的优势一般不如异花授粉作物的自交系间 的杂交优势大。当然亦不排除内、外源优势都较大的类型。内外源优势的大小还与不 染色体组间的同源性有关,从遗传上洪,异源多倍体不同染色体组间往往具有一定的同 源性,如小麦的三个染色体组间就存在有部分的同源性,同源区段上的基因具有一定重 复性。一般非同源区段上的基因则与二倍体相同,因而在杂种优势利用中,二倍体部分 产生优势会比多倍体产生优势更容易。对自花授粉作物小麦来讲,它属于多倍体作物, 要使F获得较大的杂合性和杂种优势,必须减少内源优势,或选用亲本具有较大遺传 互补性的个体,从而增大外源优势。但这两方面都较难,因为小麦的内在杂合性不易降 低,不同染色体组间重复基因的遮盖使一些不良基因难以淘汰,另外亲本选配不易。内 源优势和内在杂合性是多倍体自花授粉作物所固有的,因此外源优勢就显得比较重要, 外源优势利用的主要方法是雄性不育,一般通过引进外来资源(近缘种作胞质供体, 使亲本在遗传上差异增大才可能增加F1代的杂合性和杂种优势。 当然,内在杂合性的存在与保持对系统育种更为有利,内源优势可以通过F代的 优势及以后世代的选择得以固定,从而达到多代利用的目的, 5214杂种优势的生理生化甚础 Sdw0首先在玉米杂种优势研究中将同工醇差异与杂种优势相联系,推动 了生理生化等标记与杂种优势相关性研究的广泛开展,杂种优势是一个既受主效基 因控制又受多基因互作和内外环境影响的复杂的生理现象(邓鸿德,191),是植物体 内几乎所有复杂代謝和兵有生理功能的酶的共同作用的结果,杂合体在生长率的增长上
第一部分 文献综述 这说明从基因组杂合性上并不能完全解释杂种优势形成的遗传基础.因为建立在显性、 超显性假说基础上的基因型杂合性对杂种优势贡献的观点还存在很多分歧，它忽视了细 胞质基因和核质互作对杂种优势的作用。而叶绿体、线粒体遗传，细胞质雄性不育性遗 传，以及某些性状表现的正反交差异等事例都证明了细胞质和核质互作效应的存在。 ' 2.1.3 染色体倍数对杂种优势的贡献 杂种优势的利用基本上集中在二倍体物种，在生产上大面积利用的以收获种子为目 的的多倍体并不多，如小麦 (异源六倍体)，花生 (异源四倍体)等。陈绍江认为多倍 体作物杂种优势不强，其原因与染色体组成有关1501，指出多倍体物种的杂种优势由于来 源不同分为两种，即内源优势和外源优势。内源优势是一种由植株自身基因的内在杂合 性产生的杂种优势。多倍体作物个体的内源优势一般比二倍体大，原因如下:(1)重复 基因的剂量效应:(2)基因的遮盖作用或上位效应;(3)重复基因的显性与超显性作用; (4)等位基因的互作;(5)非等位基因的互作。由于染色体上的基因数整体上是有限 的，等位基因和重复基因的效应也是有限的，因此内源优势大的作物外源优势往往不高。 对自花授粉作物，特别是多倍体自花授粉作物，如小麦等，由于其内在杂合性经自然选 择已达到平衡，己难再纯化，通过杂交所产生的优势一般不如异花授粉作物的自交系间 的杂交优势大。当然亦不排除内、外源优势都较大的类型。内外源优势的大小还与不同 染色体组间的同源性有关，从遗传上讲，异源多倍体不同染色体组间往往具有一定的同 源性，如小麦的三个染色体组间就存在有部分的同源性，同源区段上的基因具有一定重 复性。一般非同源区段上的基因则与二倍体相同，因而在杂种优势利用中，二倍体部分 产生优势会比多倍体产生优势更容易。对自花授粉作物小麦来讲，它属于多倍体作物， 要使 F，获得较大的杂合性和杂种优势，必须减少内源优势，或选用亲本具有较大遗传 互补性的个体，从而增大外源优势。但这两方面都较难，因为小麦的内在杂合性不易降 低，不同染色体组间重复基因的遮盖使一些不良基因难以淘汰，另外亲本选配不易。内 源优势和内在杂合性是多倍体自花授粉作物所固有的，因此外源优势就显得比较重要， 外源优势利用的主要方法是雄性不育，一般通过引进外来资源 (近缘种作胞质供体)， 使亲本在遗传上差异增大才可能增加F;代的杂合性和杂种优势. 当然，内在杂合性的存在与保持对系统育种更为有利，内源优势可以通过 F，代的 优势及以后世代的选择得以固定，从而达到多代利用的目的. ' 2.1.4 杂种优势的生理生化基础 Schwartz(1960)首先在玉米杂种优势研究中将同工酶差异与杂种优势相联系，推动 了生理生化等标记与杂种优势相关性研究的广泛开展[11741。杂种优势是一个既受主效基 因控制又受多基因互作和内外环境影响的复杂的生理现象 (邓鸿德，1991)，是植物体 内几乎所有复杂代谢和具有生理功能的酶的共同作用的结果。杂合体在生长率的增长上
粘类小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 较纯合体表现明显的杂种优势,生长率决定净生物产量,而分配到器官的生物产量将决 定收获指数,从而影响产量,因此决定杂种优势涉及的位点很重要,H9等年 认为生长和籽产量是一系列生化反应的结果,其中每个反应都由一个或多个特殊的酶 控制催化提出了生理生化平衡决定杂种优势。认为近交系趋于不平衡的控制代谢体系, 高度纯合的自交系可能存在一些重要的限制代谢的酶促反应,不同近交系间这种特殊限 制可能存在差异,两个近交系产生的杂种很可能具有更好的平衡代谢体系。 生理瓶颈观点( Physiological bottle necks或限制因子观点,认为瓶颈可在不同的 近交系的不同位点,因此也可能存在不同的代谢通路(Mao9.每个近交系 可能有一个主要的瓶颈位点和一系列潜在的次要瓶颈位点,这些次要瓶颈位点只有在主 要瓶颈得到改良后才明显表现。对于表现杂种优势的杂种很可能是两个亲本在不同的区 域存在不同的瓶颈(即不同的代谢通路,如果在同一代謝区域,瓶颈必须在不同的代 谢通路上。同时,强优势杂种的分离群体应至少分离出两个决定性的独立分离位点,或 伴有一系列相对微效的次要位点才行。 许多研究还发现,亲本间酶谱的差异以及F1酶谱,如杂种酶谱,互补带的出现和 酶活性的提高与杂种优势存在一定关系。金惠芬(19)通过对若干玉米杂交及其亲本 授粉后ATP酶活性及蛋白质变化来研究杂种优势的生化机理,认为杂交授粉后的精卵结 合引起胚中ATP酶活性增加与杂种优势有一定联系135Dac9-究 了氮基酸的库与杂种优勢的关系,认为代谢库体积与杂种产量相关,可用于检测杂交种 流的增加。杂种产量和近交系间的代謝距离显著桕关,因此可用于高产杂交种的预测 Smt等,190)0,谷氨酰氨合成酶(GS)在植物体内氮代谢中起着非常重要的 作用,孙国荣等(94)对杂交水稻及其亲本生长发育过程中的GS活性研究认为,生 殖生长期〔S活性在一定程度上可以反映产量性状的优势水平.陈克成(949通过对 水稻杂种优势与细胞色素氧化酶和呼吸强度的关系研究,认为优势杂种与其亲本细胞色 素氧化酶有一定的互补效应町。特别是大量研究事实亦证明:线粒体、叶绿体和核基因 组均参与了作物杂种优势的形成过程6,939出杂种一代的很多 生理生化过程对杂种优势有重要贡就,它们包括:(1)DNA高复制活性,核糖体DNA 位点重复以及基因组活性区重复;(2)具有特定和超常功能的多聚体酶;:(3)mRNA的 核苷酸组成不同于双亲:(4)线粒体和叶绿体结构的发育程度优于双亲;(5)叶绿体中 片层与类囊体膜结构和体积及叶绿素含量的增加。 Srivastay≌认为,杂种优势是由于杂 种一代在DNA复制,DNA转录和蛋白质转译上量的增加,是由于遗传信息量和核糖体 DNA重复数的增加,使杂种细胞中各种鹬和调控元件工作效率的提高。 关于利用生理生化对杂种优势进行预测不力研究者也做了大量研究,主要方法有: ])利用酵母法预测杂种优势;(2)利用线粒体,叶绿体匀浆互补预测杂种优势:(3) 利用问同工酶谱和酶活性预测杂种优势}明
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 较纯合体表现明显的杂种优势，生长率决定净生物产量，而分配到器官的生物产量将决 定收获指数，从而影响产量，因此决定杂种优势涉及的位点很重要。Hageman (1967)等 认为生长和籽粒产量是一系列生化反应的结果，其中每个反应都由一个或多个特殊的酶 控制催化，提出了生理生化平衡决定杂种优势。认为近交系趋于不平衡的控制代谢体系， 高度纯合的自交系可能存在一些重要的限制代谢的酶促反应，不同近交系间这种特殊限 制可能存在差异，两个近交系产生的杂种很可能具有更好的平衡代谢体系。 生理瓶颈观点 (Physiological botle necks)或限制因子观点，认为瓶颈可在不同的 近交系的不同位点，因此也可能存在不同的代谢通路 (Magelsdory, 1952)，每个近交系 可能有一个主要的瓶颈位点和一系列潜在的次要瓶颈位点，这些次要瓶颈位点只有在主 要瓶颈得到改良后才明显表现。对于表现杂种优势的杂种很可能是两个亲本在不同的区 域存在不同的瓶颈 (即不同的代谢通路)，如果在同一代谢区域，瓶颈必须在不同的代 谢通路上。同时，强优势杂种的分离群体应至少分离出两个决定性的独立分离位点，或 伴有一系列相对微效的次要位点才行. 许多研究还发现，亲本间酶谱的差异以及 F,酶谱，如杂种酶谱，互补带的出现和 酶活性的提高与杂种优势存在一定关系。金感芬 (1993)通过对若千玉米杂交及其亲本 授粉后ATP酶活性及蛋白质变化来研究杂种优势的生化机理，认为杂交授粉后的精卵结 合引起胚中ATP酶活性增加与杂种优势有一定联系“’‘sz. "] . David Rhodes (1992)研究 了氨基酸的库与杂种优势的关系，认为代谢库体积与杂种产量相关，可用于检测杂交种 流的增加。杂种产t和近交系间的代谢距离显著相关，因此可用于高产杂交种的预测 ( Smith等，1990) 11n1。谷氨酞氨合成酶 (GS)在植物体内氮代谢中起着非常重要的 作用.孙国荣等 (1994)对杂交水稻及其亲本生长发育过程中的GS活性研究认为，生 殖生长期GS活性在一定程度上可以反映产量性状的优势水平。陈克成 (1994)通过对 水稻杂种优势与细胞色素氧化酶和呼吸强度的关系研究，认为优势杂种与其亲本细胞色 素氧化酶有一定的互补效应[50。特别是大量研究事实亦证明:线粒体、叶绿体和核基因 组均参与了作物杂种优势的形成过程[" w. '451o Srivastava(1983)11803指出杂种一代的很多 生理生化过程对杂种优势有重要贡献，它们包括:(1) DNA高复制活性，核糖体DNA 位点重复以及基因组活性区重复;(2)具有特定和超常功能的多聚体酶;(3) mRNA的 核营酸组成不同于双亲;(4)线粒体和叶绿体结构的发育程度优于双亲;(5)叶绿体中 片层与类囊体膜结构和体积及叶绿素含量的增加。Srivastava认为，杂种优势是由于杂 种一代在DNA复制，DNA转录和蛋白质转译上童的增加，是由于遗传信息量和核糖体 DNA重复数的增加，使杂种细胞中各种酶和调控元件工作效率的提高。 关于利用生理生化对杂种优势进行预测，不少研究者也做了大量研究，主要方法有: (1)利用酵母法预测杂种优势;(2)利用线粒体，叶绿体匀浆互补预测杂种优势;(3) 利用同工酶谱和酶活性预测杂种优势[591
第一部分文献综述 §25杂种优势的分子生物学基础 杂种优势是一个复杂的遗传现象,它是许多数量性状的综合表现,特别是受许多微 效多基因(数量性状QL基因)的控制。近年,现代分子生物学的发展,尤其DNA分 子标记技术的应用,使得分析单个QTL效应,从分子水平了解多态性基因在结构和功 能上的差异,以深入开展杂种优势遗传机制的研究成为可能,现应用分子标记技术对杂 种优势遗传基础的研究已取得较大进展455813181B, 2151杂种优势与基因的表达和调控 R0mg19首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系,发现差异表达 产生在杂交种中更丰富,更具特异表达。RFLP( Restriction Fragment Length Polymorphism)8和RAPD( Random Amplified Polymorphic DNA)分别于二十世纪70年 代和9年代兴起,并用于检测DN分子的多态性,这两项技术可以说是测定杂交亲本 遗传差异的有效手段Lag:等(19):提出的mRNA差异显示法,是为研究基因 的差异表达提供的另外一种有效研究手段程宁辉等64应用mRNA差异显示技术, 对玉米、水稻杂种一代与亲本基因表达差异进行分析发现亲本基因和F1基因的表达 虽然相似,但仍有差异,这种表达差异可能决定了杂种优势的形成。孙其信等(9) 对小麦杂交种与亲本间基因表达差异分析发现,杂种一代与亲本间基因表达差异可归纳 为杂种一代特异表达,增强表达,减弱表达和杂种一代表达沉默4种类型。 高等生物基因表达调控涉及顺式作用元件和反式作用因子等多种机制。赵相山 (97)对两类转录调控因子 MADS-box8和GBF基因进行mRNA差异显示,发现杂 种一代与亲本之间存在明显差异。Tfa等(19,个人通讯)发现,玉米ABA转录 因子Ra2在一个亲本中合成数量明昱高于杂种一代和另一个亲本,而且杂种基因表达 增强与DNA甲基化降低有类叫 一般来讲,基因编码区的序列是保守的,因此同类植物的不同生态类型中,rRNA 基因的多态性主要表现在拷贝数的变化和转录调控区的差异基因多态性的结构差异 可能主要存在于调控区,基因调控序列的结构姜异决定基因的显隐性叼杂合状态下 基因的显隐性不仅受调控序列的影响,同时也受其他基因的控制,同一类甙NA基因在 同遭传背景下其显隐性关系可通过不同的遗传机制产生,杂种一代超亲优势的形成不 仅与等位基因的显隐性有关,又与非等位基因间在表达上相互影响有类阿。跆等 利用水稻基因组具有10个分离位点的分子连锁图,对水稻优良杂交种的杂种优势形成 机理进行研究,认为双基因互作(加性基因间,加性与显性基因间,显性基因间)现象 普遍存在,而且上位效应在杂种优势的形成中起决定作用 §2152杂种优势与基因结构的变化 通常认为杂种一代基因组来自母本质核基因和父本核基因,根据wagr:等hn
第一部分 文献综述 ' 2.1.5 杂种优势的分子生物学基础 杂种优势是一个复杂的遗传现象，它是许多数量性状的综合表现，特别是受许多微 效多基因 (数量性状QTL基因)的控制。近年，现代分子生物学的发展，尤其DNA分 子标记技术的应用，使得分析单个QTL效应，从分子水平了解多态性基因在结构和功 能上的差异，以深入开展杂种优势遗传机制的研究成为可能，现应用分子标记技术对杂 种优势遗传基础的研究已取得较大进展[54, 55. 56, 57. 58. 155. 150. 149. 137. 1271 互2.1.5.1 杂种优势与荃因的表达和调控 Romagnoli等 (1990)首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系，发现差异表达 产生在杂交种中更丰富，更具特异表达.RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism)和RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA)分别于二十世纪7。年 代和90年代兴起，并用于检测DNA分子的多态性，这两项技术可以说是测定杂交亲本 遗传差异的有效手段。Liangpeng等 (1992)提出的mRNA差异显示法，是为研究基因 的差异表达提供的另外一种有效研究手段。程宁辉等[60.61,1401应用mRNA差异显示技术， 对玉米、水稻杂种一代与亲本基因表达差异进行分析，发现亲本基因和 F.基因的表达 虽然相似，但仍有差异，这种表达差异可能决定了杂种优势的形成。孙其信等 〔1998) 对小麦杂交种与亲本间基因表达差异分析发现，杂种一代与亲本间基因表达差异可归纳 为杂种一代特异表达，增强表达，减弱表达和杂种一代表达沉默4种类型。 高等生物基因表达调控涉及顺式作用元件和反式作用因子等多种机制。赵相山 (1997)对两类转录调控因子 MADS-box和 GBFS基因进行 mRNA差异显示，发现杂 种一代与亲本之间存在明显差异。Tsaftaris等 (1998，个人通讯)发现，玉米ABA转录 因子Rab21在一个亲本中合成数量明显高于杂种一代和另一个亲本。而且杂种基因表达 增强与DNA甲基化降低有关[491 一般来讲，基因编码区的序列是保守的，因此同类植物的不同生态类型中，rRNA 基因的多态性主要表现在拷贝数的变化和转录调控区的差异[1621。基因多态性的结构差异 可能主要存在于调控区，基因调控序列的结构差异决定基因的显隐性[1711。杂合状态下 基因的显隐性不仅受调控序列的影响，同时也受其他基因的控制，同一类rRNA基因在 不同遗传背景下其显隐性关系可通过不同的遗传机制产生。杂种一代超亲优势的形成不 仅与等位基因的显隐性有关，又与非等位基因间在表达上相互影响有关[631. Yu等0981 利用水稻基因组具有 150个分离位点的分子连锁图，对水稻优良杂交种的杂种优势形成 机理进行研究，认为双基因互作 (加性基因间，加性与显性基因间，显性基因间)现象 普遍存在，而且上位效应在杂种优势的形成中起决定作用。 互2.1.5.2 杂种优势与羞因结构的变化 通常认为杂种一代基因组来自母本质、核基因和父本核基因，根据Wagner等，Shen
10 粘类小之雄性不育系育性特异性研究及其快邁定向转育体系的建拓 等发现父本的细胞质基因也可能滂漏到杂种一代RAPD通常为显性标记,理论 上,如果母本、父本的RAD扩增产物中有(或无)某一产物时,杂种一代的扩增产物 应该也有(或无)该待定产物玉得元國应用RRD对辣椒亲本及其杂种一代基因进行 研究,结果表明大部分引物扩增出的杂种一代的RAPD产物和双亲或亲本之一无差异, 但引物0PG3扩增出双亲没有,而F出现的DNMA片段,引物0PK8扩增出双亲具 有,而F消失的DNA片段,这揭示了F1某些基因结构不同于亲本,另外,许多应用 RAPD技术检测F1遗传纯度的研究也揭示F基因组发生基因变异的报道,均认为这些 特异出现或特异消失的基因就可能与杂种优势的产生有关舔的 §2153杂种优势的其他分子生物学基础 关于杂种优势机理,不少学者还提出了与上不同的看法:鲍文奎(190)曾提是出基 因网络系统学说(阎,认为不同生物基因组都包含了一套保证自身正常生长与发育的遗 传信息(包括全部的编码基因,基因表达的控制序列,以及协调不同基因间相互作用的 组分),这些信息都编码在DNA上,组成一个使基因有序表达的网络,通过遭传程序将 各种基因活动联系在一起,如果某些基因发生了突变,会影响到网络中的其他成员,并 通过网络系统进一步扩大其影响,进-步发展成为可见的变异、对不同物种而言,可能 存在许多同一功能的基因,它们处于基因网络系统的同一位置工作,但其功能或工作效 率可能会有差别。在杂合基因型中,就某个指定的基因而言,只要有一个稍次的等位基 因成员代替最佳成员,就可能会影响网络的工作效率,杂种一代是两个不同基因群组合 在一起形成的一个新的网络系统在这个新组建的网终系统中等位基因成员处在最好的 工作状态,使整个遗传体系发捍最佳效率,这时就实现了杂种优势。 王得元(19)以杂种优势过程研究的基本漠型为基础,从基因的分子生物学(结 构表达,作用机制)入手,提出了作物杂种优势遗传机理的遗传振动合成学说8的 该学说认为同工基因经转录,翻译成同工蛋白质的数量变化是—种振动,这种振动可称 为遗传据动,将两个或多个同工基因所产生的蛋白质的振动的合成称为遗传振动合成 中来自双亲的同工基因的表达,呈现出遗传振动合成的特点,并且随时间的变化而呈 現出正向优势、无优蔡、负向优势,进而影响所参与或调控的最初代谢反应的产物,优 势随时间的变化而变化,由于其它同工基因的这种类似的作用,以及代謝反应的逐级影 响与逐级放大作用,加上外界环境对基因组的影响,最终影响到生物的表型性状,并使 杂种优势星现过程化特点 §22小麦雄性不育机理的研究 在杂种优势利用研究中雄性不有的遗传机理直受到人们的极大重视:91 根据雄性不育材料基因型的差异,将雄性不育划分为3类,即细胞质不育,细胞核不育 和质核互作不育,也称为雄性不育“三型学说”随着一些植物细胞质雄性不育系恢复
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 等发现父本的细胞质基因也可能渗漏到杂种一代[p92, 1751. RAPD通常为显性标记，理论 上，如果母本、父本的RAPD扩增产物中有 (或无)某一产物时.杂种一代的扩增产物 应该也有(或无)该特定产物。玉得元[641应用RAPD对辣椒亲本及其杂种一代基因进行 研究，结果表明大部分引物扩增出的杂种一代的RAPD产物和双亲或亲本之一无差异， 但引物 OPG-03扩增出双亲没有，而F.出现的DNA片段，引物OPK-08扩增出双亲具 有，而 F.消失的 DNA片段，这揭示了F.某些基因结构不同于亲本。另外，许多应用 RAPD技术检测F,遗传纯度的研究也揭示F,基因组发生基因变异的报道，均认为这些 特异出现或特异消失的基因就可能与杂种优势的产生有关[65. 66. 611. ' 2.1.5.3 杂种优势的其他分子生物学基础 关于杂种优势机理，不少学者还提出了与上不同的看法:鲍文奎 (1990)曾提出基 因网络系统学说[63. 691，认为不同生物基因组都包含了一套保证自身正常生长与发育的遗 传信息 (包括全部的编码基因，基因表达的控制序列，以及协调不同基因间相互作用的 组分)。这些信息都编码在DNA上，组成一个使基因有序表达的网络，通过遗传程序将 各种基因活动联系在一起，如果某些基因发生了突变，会影响到网络中的其他成员，并 通过网络系统进一步扩大其影响，进一步发展成为可见的变异。对不同物种而言，可能 存在许多同一功能的基因，它们处于基因网络系统的同一位置工作，但其功能或工作效 率可能会有差别。在杂合基因型中，就某个指定的基因而言，只要有一个稍次的等位基 因成员代替最佳成员，就可能会影响网络的工作效率，杂种一代是两个不同基因群组合 在一起形成的一个新的网络系统，在这个新组建的网络系统中等位基因成员处在最好的 工作状态，使整个遗传体系发挥最佳效率，这时就实现了杂种优势。 王得元 (1997)以杂种优势过程研究的基本模型为基础，从荃因的分子生物学 〔结 构，表达，作用机制)入手，提出了作物杂种优势遗传机理的遗传振动合成学说[69. 611。 该学说认为同工基因经转录，翻译成同工蛋白质的数t变化是一种振动，这种振动可称 为遗传振动.将两个或多个同工基因所产生的蛋白质的振动的合成称为遗传振动合成。 Fl中来自双亲的同工基因的表达，呈现出遗传振动合成的特点，并且随时间的变化而呈 现出正向优势、无优势、负向优势，进而影响所参与或调控的最初代谢反应的产物，优 势随时间的变化而变化。由于其它同工基因的这种类似的作用，以及代谢反应的逐级影 响与逐级放大作用，加上外界环境对墓因组的影响，最终影响到生物的表型性状，并使 杂种优势呈现过程化特点. 夸2.2 小麦雄性不育机理的研究 在杂种优势利用研究中，雄性不育的遗传机理一直受到人们的极大重视.Sears (1947) 根据雄性不育材料基因型的差异，将雄性不育划分为3类，即细胞质不育，细胞核不育 和质核互作不育，也称为雄性不育 “三型学说”.随着一些植物细胞质雄性不育系恢复
