水稻线粒体基因组与细胞质雄性不育研究进展
遗传HEREDITAS(Beijing)19(5):45～481997
水稻线粒体基因组与细胞质雄性不育研究进展
涂 朱英国
(武汉大学生命科学院,武汉430072)
Development of Rice Mitochondrial G enome and
Cytoplasm Male Sterility
Tu J un Zhu Y ingguo
(College of Life Science,Wuhan University,Wuhan430072)
高等植物细胞质雄性不育是一种普遍的生物学现象。表现雄性不育的植株一般不能产生或释放正常花粉。细
胞质雄性不育性状是通过细胞质遗传的,所以,人们认为细胞质雄性不育性是由线粒体或叶绿体的遗传物质所决定的。进一步的研究表明,线粒体更有可能是决定细胞质雄性不育的重要因素。
近十多年来,飞速发展的分子生物学为植物细胞质遗传研究提供了许多新方法,如核酸限制性片段长度多态性(以下简称RFL P技术)、克隆和序列分析等方法。下面我们以水稻为材料,谈谈近年来对水稻线粒体基因组及细胞质雄性不育机理的研究进展状况。
1 线粒体基因组
高等植物线粒体基因组的结构相当复杂。线粒体基因组的大小因植物种类的不同,大约为200kb到2000kb,基本为单一顺序碱基。水稻线粒体基因组至少在300kb以上。通过电镜显示,植物线粒体DNA为一个不同大小环状和线状分子的复杂集合体,而且限制性内切酶酶切片段量低于化学计量法所得总量,所以,推测线粒体DNA 是异质结构。
王斌等研究发现,电镜下水稻线粒体DNA为1至156kb的复杂集合体,主要为线状,少数为环状,部分表现为超螺旋形态。他们通过酶切消化与电镜观察相结合,估算了水稻线粒体DNA的大小,与K ottaram的结果类似,为300kb左右〔1〕。也有人认为,并不存在同样大小的单一主环结构,线粒体基因组以多个亚基因组环状分子及线状分子存在,利用稀有切点限制酶构建了一个117kb的环状染色体图谱,并对Cox I和atp A进行了精确定位,粗略定位了rm26,Cob2,atp6,rm18基因〔2〕。Y amato通过对细胞培养的A-58CMS水稻线粒体DNA物理图谱的构建,发现培养中线粒体DNA发生了结构改变。据酶切分析结果推测,要么主基因组中有近100kb的重复序列,要么线粒体基因组中并不存在主环分子,对认为线粒体基因组由单一主环构成的传统观念提出了质疑〔3〕。I2 wahashi等通过对线粒体基因组文库进行步行分析,构建了水稻的遗传图谱,提出线粒体基因组由5个次环构成,每个次环都同其它一两个环共享一段同源顺序。主环的形成是由于次环通过其间的重复顺序进行同源重组而得到的〔4〕。
杨金水等通过对IR36水稻线粒体基因组酶切条带杂交,发现水稻线粒体基因组中含有包括编码基因在内的重复顺序〔5〕。Nakazono发现在水稻线粒体基因组中存在许多回文重复序列,在进化中一些回文重复序列可能参与了插入重组事件,由于回文重复序列的存在,也增加了线粒体基因组的多型性〔6〕。
卓德艮等对野败、红莲、B T型3种不同细胞质源的不育系和保持系的酶切图谱进行比较后发现,在不同细胞质中确实存在不同的线粒体DNA,且在不同保持系亦存在一定差异,这种差异表明线粒体DNA发生了变异或
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重组,从而支持了水稻细胞质雄性不育的线粒体遗传的假设〔7〕,刘炎生等亦通过类似方法指出,可利用线粒体DNA酶切带型对水稻细胞质雄性不育的细胞质源进行分类〔8〕,但K adowaki发现即使细胞质来源相同的不育系有时亦呈现mtDNA多态性,而不同来源的不育系亦可能有相同的酶切条带〔9〕。这种不育系间的多态性给研究线粒体DNA与细胞质雄性不育之间的关系带来了一定的困难,所以,必须对mtDNA差异进一步研究。
通过对线粒体DNA酶切片段进行分子杂交,人们发现在水稻细胞质雄性不育系和保持系的线粒体CoxⅠ、CoxⅡ、CoxⅢ、atp6、atp9、atp A、Cob等基因中都存在位置或拷贝数的差异,刘炎生等发现在不育系和保持系之间CoxⅠ、CoxⅡ基因位置结构上存在差异〔10〕。李大东等在B T型水稻中发现不育系有两个atp A基因拷贝,而保持系仅有一个拷贝。推测这种atp A基因多拷贝可能是由于线粒体基因组中重复顺序发生重组,影响到周围的功能基因造成的,这种变化以后在进化中固定下来,使得不育系线粒体基因组中atp A基因表现为两个&拷贝〔11〕。K aleikau等发现在野败型不育系中仅有一个Cob拷贝,而保持系中却有两个Cob拷贝,其中一个为假基因Cob2。Cob2的产生是由于Cob1与一段192bp片段之间进行重组或插入造成的〔12〕。这均与Makaroff和Palmer提出的植物线粒体基因组上基因排列的顺序及其拷贝数与线粒体执行正常的功能密切相关是相符的:杨金水等采用酶切后分子杂交的方法,在B T型水稻中发现存在atp6和rrn18S重复拷贝,其中不育系含两个atp6基因拷贝,而保持系仅含一个〔13〕。在野败型水稻中则发现了atp9和rrn18S重复拷贝,不过不育系仅含一个atp9拷贝,而保持系有两个atp9拷贝〔14〕。此外,他们还依据线粒体DNA酶切图谱的统计和定量分析,即根据不育系与保持系间共有消化片段的比例来决定线粒体DNA的相似性,以此来划分稻属间的亲缘关系,结果可与形态和生理生化上的分类一致。
线粒体基因组的整体分析提供给我们大量的信息,但因涉及范围大,很难从大量差异片段中找到与育性有关的顺序。因此鉴定、分离和克隆与水稻细胞质雄性不育有关的“育性”基因,是研究细胞质雄性不育的关键。
K adowaki等用合成的线粒体基因序列CoxⅠ、CoxⅡ、atp A、atp9、Cob、atp6作探针,用RFL P和分子杂交方法比较了不育水稻B T型不育系和保持系线粒体DNA的差异,结果表明,6种探针中atp6和Cob的分子杂交带谱在两种细胞质中有差异,而其余4种则相同,且不育系线粒体DNA的atp6和Cob均为保持系的两倍。深入研究发现,不育系中除了一个正常的atp6基因外,还存在一个额外的嵌合atp6基因〔15〕。K adowaki等将这个嵌合状atp6基因定名为细胞质雄性不育水稻线粒体未定阅读框(urf-rmc)。这个urf-rmc基因与正常的atp6基因有997bp完全同源序列。当引入育性恢复基因Rf后,能改变urf-rmc的转录本长度,使其由一个217kb的线粒体RNA变为一个218kb的线粒体RNA,但并不改变正常的atp6基因转录本长度为115kb,这暗示嵌合基因与细胞质雄性不育有关。S outhern杂交显示嵌合基因urf-rm c是由于线粒体DNA进行分子内重组所致。一种关于urf-rm c与Rf基因功能的可能解释是urf-rmc抑制了正常的atp6基因,使小孢子发生过程中ATP合成受到干扰而导致花粉败育,在Rf基因作用下,增长了urf-rmc转录本,可能是一种不成熟或无法转译的转录本,从而解释了对正常atp6基因的抑制〔16〕。Iwahashi等也得到类似的结果。由此可知,RNA正确加工和编辑在控制水稻细胞质雄性不育的表达及其育性恢复上可能有重要作用〔17〕。Akagi通过对来源于包罗Ⅱ型的水稻CMS品系与粳稻进行不对称原生质体融合,得到了细胞质雄性不育胞质杂种。通过S outhern杂交,发现细胞质雄性不育表型的出现是与atp6基因下游序列的重组密切相关的。经重组产生了orf79的嵌合序列。在不育系及恢复系中均发现orf79的异常转录本,而在正常品系中并不存在。进一步分析发现,恢复系中异常转录本的数量远低于不育系。orf79嵌合序列产生的异常转录本可能与CMS有关,而核恢复基因产物的作用是使这种异常转录本数量大大下降〔18〕。其后,Akagi等通过对12种粳稻材料同具MTC-5A胞质的籼稻进行不对称原生质体融合成功使其转换为细胞质雄性不育系,实验确证发生育性转换的水稻均带有MTC-5A胞质中orf79嵌合序列,表明这段序列阻止了atp6基因的正常表达,与水稻细胞质雄性不育可能相关〔19〕。
许红林近来应用任意单引物聚合酶链(简称PCR)技术,得到了一种野败型雄性不育所特有的一个特异扩增
片段R 2-630WA ,以此片段为探针进行S outhern 杂交分析,检测到不育细胞质和正常胞质间存在线粒体DNA 的多态性。之后,他们对这个片段进行了克隆和序列测定,发现该片段全长629bp ,序列内含一长为10bp 的反向重复序列5′-ACCATATGGT -3′,由此确定R 2-630〗WA 片段与野败型细胞质雄性不育密切相关,推测这个小反向
重复序列在野败型细胞质雄性不育性状形成中,可能起着相当重要的作用〔20〕。
2 线粒体类质粒D NA
最早在玉米中发现线粒体中存在类质粒DNA ,且在不育系和保持系中表现出特异的分布,似乎类质粒DNA 的存在与丢失与细胞质雄性不育相关联。Y amaguchi 等首先在B T 型水稻不育系中发现存在B 1和B 2两种类质粒
DNA ,分别为115kb 和112kb ,其保持系则不存在B 1和B 2〔21〕。Nawa 等研究了B T 型不育系的育性恢复系后,认
为线粒体中B 1,B 2的变化与水稻细胞质雄性不育存在某种联系,他们认为从B 1和B 2在线粒体主DNA 和核DNA 存在同源顺序看,类质粒DNA 可能来自于线粒体主DNA ,其自行复制,并以转座子的形式再整合到线粒体基因组的不同位点上,这种特殊的过程也许与细胞质雄性不育有关。此外,不育系中的类质粒DNA 也可插入核基因
组中,向细胞核传递遗传信息〔22〕,但Shikanai 等认为类质粒DNA 可能来自于核DNA 〔23〕。
梅启明等研究了红莲青四矮不育系和保持系mtDNA ,发现不育系比保持系多719kb 和411kb 的两个类质粒分子〔24〕。在本人最近的工作中,意外发现红莲丛广41保持系比不育系线粒体DNA 多613kb 、318kb 、311kb 3种类质粒DNA ,我们由此也可以看出类质粒存在的复杂性和多样性(待发表)。
Mignouna 等在野败型珍汕97A 和97B 中也发现了类质粒DNA 的存在,不育系比保持系多出一个211kb 的类
质粒DNA ,他们认为,这种线粒体DNA 上变化同水稻细胞质雄性不育相关〔25〕,但Saleh 等发现在野败型V41和
V41B 中类质粒DNA 并不存在差异,他们认为类质粒DNA 与CMS 并不存在简单的联系〔26〕。另外,Nawa 等发现
B T 型台中65A 的同质恢复系中也同样存在类质粒B 1、B 2〔27〕,这显然支持了Saleh 的看法。近年来,多数学者认
为类质粒的存在和丢失并非导致水稻细胞质雄性不育的重要因素,但类质粒DNA 无疑增加了线粒体DNA 的多态性。
3 线粒体基因与雄性不育
由研究玉米T 型细胞质所发展起来的线粒体体外蛋白合成技术,近年来在水稻上也多有报道。通过对不育系和保持系线粒体蛋白及离体翻译产物的研究,有可能寻找出与CMS 有关的特异蛋白借以探明该蛋白质在CMS 发生过程中的作用,查明CMS 遗传控制机理。刘祚昌等采用了这种技术,发现野败不育系线粒体基因体外翻译产物比保持系和恢复系均多出一个20kD 的多肽,不久赵世民在D 型不育系也发现一个特异的70.8kD 的多肽,认为其与不育有关,是不育基因产物。随后,刘祚昌发现B T 型不育系线粒体基因组体外翻译产物比保持系少一个22kD 的多肽,但其恢复系和F 1中具有核编码的22kD 多肽,它补偿了不育系细胞质中22kD 多肽的缺失而使育性恢复,反映了B T 型不育细胞质线粒体基因组中有关育性的变异,这可能与小孢子形成过程中某个生理过程有关,
该多肽的缺失影响了小孢子形成和正常发育,因此他们将编码22kD 的线粒体基因称为育性基因〔27,28〕。据此,赵
世民等提出了水稻细胞质雄性不育及育性恢复的两种假说,一种是B T 型的缺陷型不育与补偿性恢复,另一种是包括野败型、D 型在内的附加型不育和抑制型恢复,并推测水稻细胞质雄性不育的机制可能是由于核质互作使某些调控基因启动或关闭,因而合成了抑制酶活性的物质,或不合成或仅合成少量花粉发育中某些酶或酶的亚基,
使可育转为不育,而恢复系核基因组的恢复基因则起了抑制作用〔28〕。对于这一假说,尚需更多的实验结果来进
一步验证。
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1996-11-12收稿,1997-03-17修回.
雄性不育性及其在杂种优势中的应用
第五节雄性不育性及其在杂种优势中的应用尽管利用杂种优势已成为提高农业生产效益的主要途径之一，但除了像玉米等少数雌雄异株或雌雄同株异花作物外，在未解决人工去雄的困难以前，难以在生产上大面积推广。而解决这一困难的有效途径是利用植物的雄性不育性。目前水稻、玉米、高粱、洋葱、油菜等作物已经利用雄性不育性进行杂交种子的生产，并产生了巨大的经济效益和社会效益。 一、雄性不育的类别 (一)细胞质不育不育由细胞质基因控制，而与核基因无关。其特征是所有可育品系给不育系授粉，均能保持不育株的不育性，也就是说找不到恢复系。这对营养体杂优利用的植物育种有重要的意义。如：Ogura萝卜细胞质不育系。 (二) 核不育不育性是由核基因单独控制的(简称GMS)。 1、一对隐性核基因控制的雄性不育性蔬菜不育材料大都属于此类。msms 不育，MsMs或Msms可育，共有三种基因型。msms与MsMs交配后代全部可育；msms与Msms交配后代可育、不育株1：1分离；Msms自交后代可育、不育株按3：1分离。只有用Msms作父本与msms不育株测交，可以获得50%的雄性不育株和50%的雄性可育株。 由于在一个群体里，有50%的可育株用于保持不育性。通常称其为“两用系”(ABline)或甲型两用系。将其用于杂种一代制种，则需要拔除50%的可育株。因此，隐性核不育后代不能得到固定(100%)的不育类型。 2、一对显性基因控制的雄性不育性有杂合的不育株Msms、纯合的可育株两种基因型，纯合不育株（MsMs）理论上存在但实际上无法获得。用Msms不育株与msms可育株杂交后代是半不育群体，此种两用系也叫乙型两用系。 3、由多个核基因控制的雄性不育中的一些组合可育成全不育系。有核基因互作假说和复等位基因假说(曹书142或景书159)。 (三)核质互作雄性不育(简称CMS) 不育性由核基因(msms)和细胞质基因(S)共同控制的，又简称为胞质不育型。 一个具有核质互作不育型的雄性不育植物，就育性而言，有一种不育基因型和五种可育基因型。不育基因型S(msms)；可育基因型：N(MsMs)、N(Msms)、N(msms)、S(MsMs)、S(Msms)。因此有不育系S(msms)、保持系N(msms)、恢复系
植物细胞质雄性不育性是由于细胞器和核基因组之间的不兼容性和防止自我授粉的结果 2
植物细胞质雄性不育性是由于细胞器和核基因组之间的不兼容性和防止自我授粉的结果，使混合育种农作物提高收益率。自1970年代（野生流产WA)细胞质雄性不育性已经利用在大多数三系杂交水稻生产，但在这一特性的分子基础仍然未知。我们在这里报告一个新的最近起源于野生水稻的线粒体基因WA352。授予WA细胞质雄性不育性是因为WA蛋白质编码和核线粒体蛋白质交互编码产生COX11基因。在WA352引起的细胞质雄性不育性系，WA352基因优先积累在花药绒毡层，从而抑制COX11基因在过氧化氢代谢的功能和引发绒毡层过早的细胞程序性死亡以及顺向花粉堕胎。WA352基因可以由两个恢复系的生育基因抑制诱导导致不孕，表明不同机制的存在来抵消有害的细胞质因素。因此，和细胞质雄性不育性相关的细胞质—核不兼容性是由于一个新进化的线粒体基因和基本核基因之间的有害交互作用守恒。 在混合农作物育种，跨越不同的自交系产生F的1杂交种通常有比亲本更高的收益率，一个现象是杂种或者杂种优势。然而，生产足够数量的杂交种子因很多物种构成的逻辑的问题，诸如大米的自我授粉繁殖。用水稻细胞质雄性不育性系作为雌株的母本来避免自花传粉对商业生产杂交水稻种子至关重要。1970年代细胞质雄性不育线粒体基因WA352在野生稻中被发现，野生稻中的细胞质被用到与籼稻杂交来生产细胞质雄性不育系的WA352线粒体基因系。三系杂交水稻的培育技术，其中99%使用细胞质雄性不育线粒体基因WA352系和其他的也携带了同样的细胞质雄性不育线粒体基因WA352的细胞质雄性不育系，三系杂交水稻培育技术具有较强的杂种优势,能增加粮食产量达到20%。三系水稻杂交培育种已经被种植在中国水稻种植面积总量的55%到60%，同样被种植在其它大约30个国家里，正因如此对农业有了一个很伟大的影响。很多细胞器功能障碍，比如线粒体病，是由于线粒体基因或相关的核基因基因突变所引起的。相比之下，细胞质雄性不育通常和额外的线粒体基因相关，因此可以由两个恢复系的核基因来抑制，其中许多三角状五肽蛋白质编码重复。为细胞质雄性不育系统提出了解释，包括线粒体能量不足，细胞质雄性不育蛋白细胞毒性和过早的绒毡层细胞程序性死亡。然而，细胞质雄性不育基因如何包括雄性不育尚未阐明，以及是否细胞质雄性不育感应涉及细胞质雄性不育蛋白质相互作用和核编码的线粒体系统因素未知。 为了确定CMS-WA的关键因素，我们通过检测整个CMS-WA线粒体基因组转录的RNA印迹，和一个探测器包含核糖体蛋白基因rpl5透露在CMS-WA系Zhenshan 97(ZS97A)18的不同文本。此外，这受Rf信使核糖核酸基因的影响。序列分析的两个ZS97A线粒体基因组克隆表面杂化到rp15透露一个15，15742 - bp重新排列DNA区域包括五段匹配水稻线粒体和核序列和两段来历不明的(补充图1 a)基因组。这个区域包含一个未知的rpl5 ORF下游包括三个水稻线粒体基因组片段和一段来历不明的(图1)基因组。5′区(512 bp)的ORF是相同的是前相同的水稻线粒体ORF,orf284,而3′区(583 bp)的ORF是高度相似的另一个预测水稻线粒体ORF,orf288;这些特征表明,这是最近进化重组结构。这种嵌合ORF编码一个假定的352 -残渣蛋白质与三个螺旋的跨膜片段(补充图 1 b),因此命名为WA352(野生流产的352)。不像大多数CMS基因那样和已知功能的线粒体基因有相似之处,比如那些参与ATP 产生的2-4,WA352和这些已知基因没有相似之处。植物线粒体（CMS）基因组转化目前是有限的，但CMS基因的功能可以通过测试核转换候补基因(s)与线粒体运输信号(MTS)12、19融合。我们构造了MTS-WA352转换结构，MTS-GFP-WA352和WA352由CaMV35S促进(P35S)和转移它们到中华
雄性不育
雄性不育系 几乎所有的二倍体植物，不论是野生或栽培的，都可以找到导致雄性不育的核基因。据不完全统计,现已发现近200种植物存在着核质互作型的雄性不育性，其不育程度和遗传稳定性颇不相同。育种上需要的是对环境条件不敏感，能够稳定遗传的雄性不育系。 雄性不育系主要在杂种优势利用（植物）上作母本，可以省去去雄工作,便于杂交制种,为生产上大规模利用杂种一代优势创造条件。核、质互作型不育系的种子繁殖，须靠一个花粉正常而又能保持不育系不育特性的雄性不育保持系授粉。杂交制种则须有一个花粉可育，并能使杂种恢复育性的育性恢复系。这样，不育系、保持系和恢复系（分别简称A、B和R 系）三系配套,就成为利用不育系以大量配制杂交种子的重要前提。 雄性不育系主要可分两类： 一、细胞核雄性不育系 即由控制花粉正常育性的核基因发生突变而形成的不育系。 1、不育机制：一般由1对隐性基因控制，但也有由2～3 对隐性基因互作而产生的雄性不育性（如莴苣）。假如控制花粉正常育性是一对显性基因RfRf，则由于隐性突变,杂合体Rfrf自交后将会分离出纯合基因型rfrf,表现为雄性不育。大麦、玉米、高粱、大豆、番茄、棉花等很多作物都有这样的突变体。但偶尔还发现有杂合的显性核不育现象。其正常可育的基因型为msms，而经显性突变后产生的杂合基因型Msms会由于Ms的显性作用表现为雄性不育,当它被正常育性植株msms授粉结实时,其子代按1:1比例分离出显性不育株和隐性可育株,并依此方法代代相传。1972年中国在山西省发现的由显性单基因控制的太谷核不育小麦就属于此类。 2、利用：因隐性核不育系难以找到有效的保持系，故不能大量产生不育系种子供制种用；但可用杂合可育株给不育株授粉，在正常育性受 1对显性基因控制的情况下,其子代将按1:1比例分离出纯合不育株和杂合可育株。用杂合可育株对不育株授粉,下一代育性分离仍是1:1的比例。采用这种作法可以较大量地繁殖不育株与可育株的混合群体。这种群体内既有不育株又有保持不育性能力的植株，有人因此称之为两用系。杂交制种时，必须在开花前剔去母本群体内的可育株，以保证制种的纯度。一般栽培品种都可作隐性核不育系的恢复系，因此易于配出强优势组合。但要在混合群体开花前的短促时间内剔除全部可育株，对于繁殖系数低、用种量大的作物常因十分费工而不易做到。 1965年，美国R.T.拉梅奇为解决大麦核不育系种子繁殖的困难，提出利用“平衡三级三体”的遗传机制：即在正常染色体上具有隐性雄性不育和隐性稃色正常的基因，在额外染色体上有相应的显性可育基因，并在其附近设法引入一个能使稃壳有色的显性标志基因，两者紧密连锁。额外染色体一般不能由花粉传递，只能以30％的比例由雌配子传给下代。这样的三级三体自交后将产生二体和三体两类植株，二体植株具纯合的雄性不育基因和正常稃色；三体植株带有一个显性可育基因和有色稃壳。通过光电比色装置对种子稃色进行筛选,可将带雄性可育基因的有色种子剔除,以繁殖纯不育系。这一设想后得到实现,育成了1个大麦杂交种，并在生产上推广。但后来在推广繁殖过程中，发现额外染色体通过雄配子的传递率比预期的高，上述机制受到干扰，而且杂种优势不够强，因而停止应用。对于繁殖系数高、用种量少的作物如番茄等，则可直接应用两用系作母本，于开花前逐株检查育性并剔除可育株，授以父本恢复系花粉,产生杂交种子。总之,核不育系由于难以找到保持系，目前在生产上仍不能有效利用。而单基因控制的太谷显性核不育小麦在没有作出标志基因之前，只能作为常规育种中开展轮回选择和回交育种的亲本之用。
刘祖洞遗传学第三版答案 第13章 细胞质和遗传
第十三章细胞质和遗传 1．母性影响和细胞质遗传有什么不同？ 答： 1）母性影响是亲代核基因的某些产物或者某种因子积累在卵细胞的细胞质中，对子代某些性状的表现产生影响的现象。这种效应只能影响子代的性状，不能遗传。 因此F1代表型受母亲的基因型控制，属于细胞核遗传体系； 细胞质遗传是细胞质中的DNA或基因对遗传性状的决定作用。由于精卵结合时，精子的细胞质往往不进入受精卵中，因此，细胞质遗传性状只能通过母体或 卵细胞传递给子代，子代总是表现为母本性状，属于细胞质遗传体系，2）母性影响符合孟德尔遗传规律；细胞质遗传是非孟德尔式遗传。 3）母性遗传杂交后代有一定的分离比, 只不过是要推迟一个世代而已；细胞质遗传杂交后代一般不出现一定的分离比。 2．细胞质基因和核基因有什么相同的地方，有什么不同的地方？ 答： 1）相同：细胞核遗传和细胞质遗传各自都有相对的独立性。这是因为，尽管在细胞质中找不到染色体一样的结构，但质基因与核基因一样，可以自我复制，可以控制蛋白质的合成，也就是说，都具有稳定性、连续性、变异性和独立性。 2）不同： A. 细胞质和细胞核的遗传物质都是DNA分子，但是其分布的位置不同。细胞核遗 传的遗传物质在细胞核中的染色体上；细胞质中的遗传物质在细胞质中的线粒体 和叶绿体中。 B. 细胞质和细胞核的遗传都是通过配子，但是细胞核遗传雌雄配子的核遗传物质相 等，而细胞质遗传物质主要存在于卵细胞中； C. 细胞核和细胞质的性状表达都是通过体细胞进行的。核遗传物质的载体（染色体） 有均分机制，遵循三大遗传定律；细胞质遗传物质（具有DNA的细胞器如线粒 体、叶绿体等）没有均分机制，是随机分配的。 D. 细胞核遗传时，正反交相同，即子一代均表现显性亲本的性状；细胞质遗传时， 正反交不同，子一代性状均与母本相同，即母系遗传。 3．在玉米中，利用细胞质雄性不育和育性恢复基因，制造双交种，有一个方式是这样的：先把雄性不育自交系A【（S）rfrf】与雄性可育自交系B【（N）rfrf】杂交，得单交种AB，把雄性不育自交系C【（S）rfrf】与雄性可育自交系D【（N）RfRf】杂交，得单交种CD。然后再把两个单交种杂交，得双交种ABCD，问双交种的基因型和表型有哪几种，它们的比例怎样？ 解： A【（S）rfrf】? B【（N）rfrf】C【（S）rfrf】? D【（N）RfRf】 ↓↓ AB【（S）rfrf】?CD【（S）Rfrf】 ↓ 基因型：1/2【(S)rfrf】1/2【(S)Rfrf】 表型：雄性不育雄性可育 4．“遗传上分离的”小菌落酵母菌在表型上跟我们讲过的“细胞质”小菌落酵母菌相似。 当一个遗传上分离的小菌落酵母菌与一个正常酵母菌杂交，二倍体细胞是正常的，以后形成子囊孢子时，每个子囊中两个孢子是正常的，两个孢子产生小菌落酵母菌。用
5种细胞质雄性不育小麦败育的生物学特性与育性恢复
5种细胞质雄性不育小麦败育的生物学特性与育性恢复 细胞质雄性不育是普遍存在于高等植物的一种生物学现象,在杂种优势利用中具有重要的价值。为了解不同类型异质雄性不育小麦败育的生物学特征、易恢性差异和不同恢复系的恢复力差异,本研究以5种异质小麦雄性不育系(K706A、Va706A、Ju706A、C6706A、U706A)和同型保持系706B及10个K型恢复系(6521-2,LK783,1321,223原-9,9023晚,X197,宿7078,宿968,中国春,WM5-5)为材料,对所有参试材料的1B/1R核型进行鉴定,并且对不育系和保持系的花药、籽粒形态进行比较;并对5种不育系的易恢性和10个恢复系的恢复能力进行评价(杨凌、乾县和三原),筛选出优良的不育系和恢复系,并对恢复系所含恢复基因进行等位性测验;利用K型小麦温敏雄性不育保持系TP116B、TM3315B为试验供体材料,以5种细胞质雄性不育系为受体材料,进而分析K型温敏基因导入其他细胞质中的温敏特性。试验获得结果如下:1.不育系与保持系花药有明显差异。 不育系花药短、皱缩,有不同程度的弯曲顶端,花药不开裂、不散粉;保持系花药饱满,花药壁开裂,散出大量的花粉。碘染结果表明,K706A,Ju706A,U706A花粉败育型为染败,花粉粒圆形,染色不均匀,出现部分呈棕黑色反应;不育系 Va706A,C6706A花粉败育为典败型,形态不规则,梭形或三角形,无棕黑色反应;保持系706B花粉形状规则,大小一致,圆形,呈深棕黑色,染色充分均匀。2.采用特异性分子标记及醇溶蛋白的A-PAGE检测方法对所有参试材料进行1B/1R类型鉴定,结果表明,Va706A、Ju706A、C6706A、U706A、706B为1BL/1RS易位纯合体,宿968、宿7078、LK783、1321、6521-2、WM5-5、X197、223原-9为非1BL/1RS 易位材料,K706A、9023晚为1BL/1RS易位杂合体。 3.5个不育系与10个恢复系杂交组合F1的结实率存在很大的差异,不育系
玉米细胞核雄性不育基因定位及克隆的研究进展
Hans Journal of Agricultural Sciences 农业科学, 2020, 10(5), 332-341 Published Online May 2020 in Hans. https://www.360docs.net/doc/b918823864.html,/journal/hjas https://https://www.360docs.net/doc/b918823864.html,/10.12677/hjas.2020.105049 Advances in Research on the Location and Cloning of Maize Nuclear Male Sterility Gene Meng Ma College of Plant Science of Huazhong Agricultural University Agronomy, Wuhan Hubei Received: May 8th, 2020; accepted: May 22nd, 2020; published: May 29th, 2020 Abstract Maize is a very important food crop and economic crop. In corn production, the main application is hybrids, and male sterility has gradually become the trend of hybrid seed production due to its own advantages. In recent decades, researchers have made unremitting efforts to study the male sterility mutants of maize nuclear nucleus, and have located, cloned and functionally studied male sterility genes. At present, sterility genes have been cloned. This article mainly reviews the loca-tion, cloning and function of maize nuclear male sterility genes, and briefly introduces the more commonly used gene mapping technology and the molecular markers involved in recent years. Keywords Maize, Nuclear Male Sterility, Gene Mapping, Gene Cloning, BSA, Molecular Markers 玉米细胞核雄性不育基因定位及克隆的 研究进展 马萌 华中农业大学，植物科学技术学院，湖北武汉 收稿日期：2020年5月8日；录用日期：2020年5月22日；发布日期：2020年5月29日 摘要 玉米是一种非常重要的粮食作物和经济作物，在玉米生产中，主要应用的是杂交种，而雄性不育因其自身的优势逐渐成为杂交制种应用的趋势。近几十年来，科研人员在对玉米细胞核雄性不育突变体的研究
水稻不育系、保持系和恢复系
水稻不育系、保持系和恢复系 早在1926年J· W·琼期就报道了水稻的杂种优势现象。但是由于水稻是自花授粉作物，花器小且雌雄同花，靠人工去雄生产大量的杂交种是不可能的。难怪有人曾一度认定，即使水稻有了强优势的亲本组合，也没有办法大量生产杂交种。 20年代未有人发现了水稻雄性不育现象，后经多年的研究，人们了解了水稻雄性不育的某些规律。从50年代末到60 年代末，日本学者先后培育出了水稻的细胞质与细胞核互作所导致的不育类型，继而实现了水稻不育系、保持系和恢复系的“三系”配套，为水稻杂交种的生产开创了一条道路。1958年日本学者胜尾清用中国的野生稻为母本与日本粳稻藤坂5号杂交，结果发现野生稻的细胞质可使杂种的雄花败育(花粉没有授精能力)，为了获得纯合稳定的不育材料，他让野生稻与藤坂5号的杂种后代始终接受藤坂5号的花粉——这种杂种与其亲本之一的杂交称做回交。如此回交几代之后，杂种除了细胞质来自原母本野生稻(杂种的细胞质由母本提供)，其细胞核基因几乎都来自藤坂5号，遗传特性也几乎完全象藤坂5号，只是由于其细胞质来自野生稻，花粉不能正常发育，这便育成了藤坂5号雄性不育系。与此同时藤坂5号便是该不育系的保持系，因为它与该不育系的杂交后代可以保持雄花不育性。与之相反，另外一些品种与此不育系杂交的Fl代其雄花可能“恢复”可育，并可以自交结实，我们称这些品种为该不育系的恢复系。如果不育系与恢复系匹配合适，便可以生产出具有强大优势的F1代杂种用于农业生产。所遗憾的是，日本尽管在60年代末就实现了粳稻三系配套，但终因杂种优势不明显而未能应用于生产。 1964年我国湖南的袁隆平在洞庭早籼等品种中发现了一批天然不育材料，并提出了通过选育“三系”利用水稻杂种优势的设想，当时只是苦于找不到理想的保持系。197O年他的合作者李必湖在海南省的野生稻群落中发观了一雄花败育株(简称野败)，为水稻三系法制种提供了宝贵的种质资源。通过这个野败材料很快育成了一批籼型不育系，继而筛选出了强优势的恢复系，从而揭开了水稻杂种优势利用的新篇章。 三系中不育系的不育性是受细胞质和细胞核基因共同控制的，只有细胞质和细胞核中都不含可育基因，才表现为雄花败育；保持系与恢复系的差别之一就是前者的细胞核中所含是隐性不育基因(但细胞质可育)，而后者的细胞核则含有显性可育基因。三系法所制出的杂种Fl代核基因是杂合的。所以杂种只能用一代，F2代会发生性状分离，对于某些育性类型还会发生育性分离，不能再做种用。
植物雄性不育类型及其遗传机制的研究进展
植物雄性不育类型及其遗传机制的研究进展 李泽福1) 夏加发2) 唐光勇2) (1)安徽省农业科学院省部共建水稻遗传育种重点开放实验室,合肥230031;2)安徽省农业科学院水稻研究所) 摘要 对植物雄性不育分类方法和类型进行了概述;对细胞质雄性不育的经典遗传及其分子遗传机制、细胞核雄性不育的遗传及不育基因的定位等研究进展进行了综述。 关键词 植物雄性不育;类型;遗传机制 Types and G enetic Mechanisms of P lant M ale Sterility Li Z efu et al (K ey Lab of Rice G enetics and Heredity,Anhui Academy of Agricultural Sciencs Hefei230031) Abstract The classification methods and types of plant male sterility was concluded;Classic genetic researches and m olecular mechanisms of cyto2 plasm ic male sterility(C MS),classic genetic researches and m olecular-marked sterile genes of genetic male sterility(G MS)were reviewed in this paper. K ey w ords Plant male sterility,Classification,G enetic mechanism 植物雄性不育是一种植物在有性繁殖过程中不能产生正常的花药、花粉或雄配子的遗传现象,它广泛存在于开花植物中。早在1763年K olreuter就观察到雄性不育现象,一个世纪后,C oleman(1876)首先引入“植物雄性不育”概念。据K aul(1988)报道,已经在43科、162属、320个种的617个品种或种间杂种中发现雄性不育[1]。植物雄性不育是作物杂种优势利用的重要途径,杂种优势利用已成为许多作物育种的主要方向和目标,并在生产上取得了很大地成功,如我国杂交水稻种植面积占水稻总面积的46%～55%,其产量比常规品种增产20%～30%[2]。植物雄性不育性状的分类和遗传机制是杂种优势利用的基础,在这方面已取得许多研究进展,尤其是在不育性遗传上,已形成了较为科学的理论,并且用于指导雄性不育系的选育和改良。基于此,笔者对植物雄性不育的类型及其遗传机制的研究进展作一综述,以期为雄性不育系的选育提供理论参考。 1 植物雄性不育的类型 1.1 植物雄性不育类型概述 导致雄性不育的因素是多种多样的,因此,在分类上也因标准不同出现不同的分类系统。Sears(1947)根据雄性不育材料基因型的差异,将雄性不育划为3类,即细胞质不育型、细胞核不育型和质核互作不育型,即“三型学说”;Edwarson(1956)将“三型学说”修改为“二型学说”,即核不育型和核质互作不育型两类;G abelman(1956)根据花粉、雄蕊的形态将雄性不育划分为花粉型、雄蕊型和功能型3类;Heslop-Harrison(1971)按世代交替把雄性不育划分为孢子体不育和配子体不育2种类型。这说明只要分 作者简介:李泽福(1965-),男,安徽霍邱县人,副研究员,主要从事水稻遗传育种研究。 收稿日期:2000210226类的依据和标准不同,分类的结果就不同。即使在同一作物内,也会因分类标准不同而有不同分类系统。如水稻雄性不育就有4种分类方法[3],分别是按恢保关系、不育细胞质来源、花粉败育形态和遗传特点来划分的。 K aul[1]在总结前人研究的基础上将植物雄性不育归纳为非遗传型和可遗传型2大类。非遗传的类型根据不育性诱发原因被分为化学诱导、生理诱导和生态诱导3个类型;可遗传型又分为表现型雄性不育和基因型雄性不育2类。前者是以不育性表现为基础的,后者是以不育性的遗传本质为基础的。表现型雄性不育又根据导致雄性不育的表现型异常的不同划分为孢子发生型、结构型和功能型3类;基因型雄性不育又分为核不育型、胞质不育型和核质互作型。随着与细胞质不育基因特异作用的核基因的发现,已经证实,细胞质雄性不育仅仅是核质互作雄性不育的一个短暂的过程,不能被认为一种雄性不育类型,因此,从不育性的基因型组成角度上划分,植物雄性不育有核质互作雄性不育和细胞核雄性不育2种类型。 1.2 核质互作雄性不育 雄性不育性由核不育基因和细胞质不育基因相互作用而产生的,为了与核雄性不育对应,称为细胞质雄性不育(C ytoplasm ic m ale sterility,C M S)。根据水稻、玉米、小麦和油料等作物C M S分类研究情况,C M S可进一步做以下分类。 1.2.1 按不育胞质来源分类。核置换法是C MS选育的重要方法,大多数的C MS都是通过该方法选育成的,因此,按细胞质来源不同进行分类具有简单明了、易于应用的特点,而被广泛应用。水稻C MS可分为种间核置换,野生稻和栽培稻之间的核置换,栽培稻和野生稻之间的核置换,籼稻和粳稻亚种间的核置换,粳稻和籼稻亚种间的核置换及进化程度不同或地理上远距离的籼籼间或粳粳间的核置换等6种类型[4]。傅寿仲[5]按细胞质来源的不 安徽农业科学,2000,28(6):742-746 Journal of Anhui Agricultural Sciences
水稻不育相关基因
HSA1a和HSA1b 【定位与克隆】 hsa1位点由两个互作基因HSA1a和HSA1b组成，利用Asominori/IR24和 Koshihikari/W0106-2构建的两个分离群体将hsa1位点定位在87.1-kb区域内，互补实验证实Os12g39880和Os12g39920是引起高度不育的原因（Kubo et al. 2016）。 粳稻等位基因HSA1a-j编码一个高度保守未知功能的植物特异结构域蛋白DUF1618，而籼稻等位基因HSA1a-i s包括6个SNPs和两个删除突变，导致结构域结构的破坏（Kubo et al. 2016）。 【时空表达谱】 HSA1a在幼穗和单核期的生殖器官包括雌蕊、雄蕊中表达，在叶片、茎、根中没有表达，HSA1a蛋白在单核期的幼穗中表达（Kubo et al. 2016）。 【生物学功能】 HSA1a和HSA1b具有遗传互作，DUF1618蛋白在配子发育中可能发挥作用（Kubo et al. 2016）。 Takahiko Kubo;Tomonori Takashi;Motoyuki Ashikari;Atsushi Yoshimura;Nori Kurata, Two Tightly Linked Genes at the hsa1 Locus Cause Both F1 and F2 Hybrid Sterility in Rice.Molecular Plant, 2016, 9(2): 221-232 pms3; p/tms12-1; IncRNA; LDM 控制粳稻农垦58S光敏型雄性不育和控制籼稻培矮64S温敏雄性不育的基因，克隆证实它们位于同一个位点，是一个非编码RNA。 【基因的发现、命名与定位】 以―农垦58S×农垦58‖及―农垦58S×1514‖两个F2群体为材料，通过BSA分析找到了农垦58S 所携带的另1个光敏核不育基因pms3，并将其定位于第12 染色体上（梅明华等, 1999）；对农垦58S/大黑矮生标记基因系FL2 组合组建可育集团和不育集团，并以亲本对照进行了RFLP、RAPD和双引物RAPD分析，结果发现第12 染色体的1个单拷贝标记G2140 与光敏核不育基因连锁遗传，二者之问的遗传图距为14.1cM（李子银等, 1999）；陈亮等筛选出与光敏不育基因pms3连锁的标记F3和V4，其与pms3的遗传距离分别为5.80cM和7.75cM；李香花等则进一步将pms3定位在12号染色体上的RFLP标记M36和RZ261之间，与两标记的遗传距离分别为1.5cM 和3.05cM。 【基因的克隆、功能研究】 华中农业大学张启发研究团队指出控制农垦58S不育的是一个长的非编码RNA，LOC_12g36030的转录本1即pms3。研究表明一个长度为1236bp，且与长光照下特异的雄性不育相关的RNA分子（LDMAR）。长日照条件下，足够的LDMAR 转录量是维持正常花粉发育所必需的，但由于一个单碱基突变造成LDMAR 二级结构改变，导致了LDMAR 在
高考生物遗传——水稻雄性不育专题练习(含答案)
高考生物遗传——水稻雄性不育专题 1.杂合体在一种或多种性状上优于两个亲本的现象称为杂种优势。以下是有关杂交水稻的研究，请回答问题。 （1）水稻是雌雄同株两性花的植物，杂交实验中，为了防止母本须进行人工去雄。水稻的花非常小，人工操作难以实现。后来，科学家在自然界发现了雄性不育（雄蕊不能产生可育花粉）的水稻植株，其在杂交时只能做，这就免除了人工去雄的工作，因此作为重要工具用于水稻杂交育种。 （2）不育系的产生是基因突变的结果，在细胞核和细胞质中都含有决定雄蕊是否可 育的基因（如右图）。其中细胞核中的不育基因用r表示，可育基因用R表示，且R对r 显性；细胞质中的不育基因用S表示，可育基因用N表示。上述细胞质与细胞核可组成 种基因型的细胞。四种基因的关系中，R能够抑制S的表达，即基因型为S(RR)的水稻表 现为；当细胞质基因为N时，无论细胞核中含有可育基因还是不育基因，植株都表现为雄性可育，所以雄性不育系的基因型为。 （3）现有与育性有关细胞核基因纯合的四个品系水稻：N（R R）、S（R R）、N（r r）和S（r r）。 ①上述四个品系的水稻，也携带着某些其他利于增产的优良性状基因，通过杂交可进一步获得具有杂种优势的种子。请你选出相应的亲本，以遗传图解的形式，提出获得杂交种子用于大田生产的最佳方案。 ②由于雄性不育系不能通过自交的方式得以保持（延续），用于之后的杂交育种，请你选出相应的亲本，以遗传图解的形式，提供保持不育系以用于育种的解决方案。 获得杂交种的遗传图解：保持不育系的遗传图解： （4）由于上述育种方案还存在一些不足，比如，有些虽表现出很强的杂种优势，但结实率低。研究者培育出光温敏型雄性不育系，其育性受一对隐性核基因（ee）控制而与细胞质无关。该品系水稻在长日照、高于临界温度
水稻三系育种
三系法杂交水稻育种 （1）三系法杂交稻的由来：两个遗传组成不同的亲本杂交产生的杂种F1代优于双亲的现象称为杂种优势。具体地讲，杂种F1代在生长势、生活力、繁殖率、抗逆性、适应性、产量和品质诸方面比双亲优越。杂种优势可分为超亲优势、平均优势和竞争优势。人们常说的杂种优势利用通常是指利用作物的竞争优势。 水稻是典型的自花授粉作物，雌雄同花。水稻杂种优势利用，只有依靠雄性不育的特性，通过异花授粉的方式来生产大量的杂交种子的方法有多种，其中之一便是使用雄性不育系（A）、保持系（B）和雄性不育恢复系（R）来配制杂种一代。由于这种利用水稻杂种优势的方法需要不育系、保持系和恢复系配套，故称为三系法杂种优势利用。用此法培育的杂交水稻简称为三系法杂交稻。水稻三系之间关系密切，其中不育系除了雄性器官发育不正常、花粉败育不能自交结实、抽穗吐颈不完全之外，其余性状与保持系基本无异。保持系与不育系杂交，获得的不育系种子供来年制种和繁殖用；不育系与恢复系杂交，获得的杂交水稻种子供下季大田生产用；保持系与恢复系的自交种子则可继续作为保持系和恢复系用。 （2）三系法杂交稻育种的历史：1958年，日本东北大学胜尾清发现中国的红芒野生稻能导致藤板5号产生雄性不育。1966年日本琉球大学新城长友以钦苏拉包罗Ⅱ为母本与台中65杂交，育成BT型不育胞质台中65A，并将该杂交组合后代的部分可育株经自交稳定选出了BT型不育系的同质恢复系，于1968年实现粳型杂交稻三系配套。我国杂交水稻的研究始于1964年，当时在湖南安江农校任教的袁隆平从洞庭早籼、胜利籼和矮脚南特等籼稻品种中找到6株雄性不育株，并根据花粉败育情况分为无花粉型、败育型和退化型3种。随后进行的遗传和数以千计的测交试验表明：这些材料属于单基因控制的隐性核不育，找不到能完全保持其不育特性的品种，利用价值不大。1970年11月，李必湖等在海南省三亚市南红农场的水沟边发现了1株花粉败育的野生稻（简称野败），为雄性不育系的选育打开了突破口。次年春季的试验就表明广场矮3784、6044、二九南等品种（系）对野败不育株具有很好的保持能力。经过随后2年全国各育种单位的通力合作，到1972年冬在海南冬繁时就获得了农艺性状一致、不育株率和不育度均达到100%的不育系群体，如珍汕97A和B、二九南1号A和B等。至此，我国第一批野败细胞质不育系宣告育成。水稻雄性不育系育成以后，1973年原广西农学院等单位陆续筛选出IR24、IR26、泰引1号、古154等一批强优恢复系，并选配出汕优2号、南优2号等系列强优势杂交稻组合。从此，以我国籼型三系杂交水稻实现配套为标志，宣告杂交水稻选育成功。 （3）雄性不育系与保持系的选育：选育水稻雄性不育系首先要获得能稳定遗传的雄性不育株，其次是有能把雄性不育株的不育特性传递下去的保持材料，然后通过测交和连续成对回交，完成全部核置换之后就可育成三系雄性不育系及其相应的同型保持系。 ①雄性不育株的获得：获得原始的雄性不育株，可从大田自然群体中寻找或通过远缘杂交产生。前者如袁隆平早期从胜利籼、洞庭早籼、矮脚南特等籼稻品种中发现的C系统不育材料；后者如李必湖等发现并被试验证实由野生稻与栽培稻天然杂交产生的野败雄性不育株；四川农业大学通过地理生态远缘杂交获得的用于培育冈46A等不育系的不育株，湖南杂交水稻研究中心用于培育印水型系列不育系的不育株及四川农科院水稻高梁研究所通过籼粳交获得的用于培育K系列不育系的不育株。这些不育株均为核质互作型不育，比较容易找到保持系，是选育三系雄性不育系不育单株的主要来源。 ②保持材料（B）的选育：保持系的选育可采取测交筛选和人工制保法进行。 测交筛选法：获得雄性不育株后，选用掌握的国内外育成的大量优良品种（系）与之杂交，从中挑选具有良好保持能力的材料用作保持系。杂交稻育种初期就是采用这种方法，从常规品种中获得了不少对野败不育株具有很好保持力的品种，如珍汕97、V20、二九南l号等。这些品种对我国快速育成具有实际利用价值的籼型三系雄性不育系发挥了重要的作用，其中
雄性不育系
雄性不育系：是一种雄性退化（主要是花粉退化）但雌蕊正常的母水稻， 由于花粉无力生活，不能自花授粉结实，只有依靠外来花粉才能受精结实。因此，借助这种母水稻作为遗传工具，通过人工辅助授粉的办法，就能大量生产杂交种子。 保持系：是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用它的花粉授给不育系后，所产生后代，仍然是雄性不育的。因此，借助保持系，不育系就能一代一代地繁殖下去。 恢复系：是一种正常的水稻品种，它的特殊功能是用它的花粉授给不育系所产生的杂交种雄性恢复正常，能自交结实，如果该杂交种有优势的话，就可用于生产。 三系杂交水稻：是指雄性不育系、保持系和恢复系三系配套育种，不育系为生产大量杂交种子提供了可能性，借助保持系来繁殖不育系，用恢复系给不育系授粉来生产雄性恢复且有优势的杂交稻。 两系杂交稻：一种命名为光温敏不育系的水稻，其育性转换与日照长短和温度高低有密切关系，在长日高温条件下，它表现雄性不育；在短日平温条件下，恢复雄性可育。利用光温敏不育系发展杂交水稻，在夏季长日照下可用来与恢复系制种，在秋季或在海南春季可以繁殖自身，不再需要借助保持系来繁 殖不育系，因此用光温敏不育系配制的杂交稻叫做两系杂交稻。 超级杂交稻：水稻超高产育种，是近20多年来不少国家和研究单位的重点项目。日本率先于1981年开展了水稻超高产育种，计划在15年内把水稻的产量提高50%。国际水稻研究所1989年启动了“超级稻”育种计划，要求2000年育成产量比当时最高品种高20%－25%的超级稻。但他们的计划至今未实现。我国农业部于1996年立项中国超级稻育种计划，其中一季杂交稻的产量指标为，第一期（1996－2000年）亩产700公斤，第二期（2001－2005年）亩产800公斤。 三系杂交水稻 三系杂交水稻是水稻育种和推广的一个巨大成就，所谓三系是：（1）雄性不育系。雌蕊发育正常，而雄蕊的发育退化或败育，不能自花授粉结实。（2）保持系。雌雄蕊发育正常，将其花粉授予雄性不育系的雌蕊，不仅可结成对种子，而且播种后仍可获得雄性不育植株。（3）恢复系。其花粉授予不育系的雌蕊，所产生的种子播种后，长成的植株又恢复了可育性。
玉米C型雄性不育系的研究应用
研究简报2010年增刊 玉米C型雄性不育系的研究应用 邵思全李琰聪 （云南省保山市农业科学研究所，678000） 摘要：玉米C型雄性不育的应用是提高种子纯度质量，降低种子生产成本的一种有效方法，本研究通过多年大量的田间试验，先后鉴定（调查）了T、C、S群（型）不育胞质的育性表现，结果选定C型不育胞质的Cb37为基础材料，对很多自交系进行不育系的转育和恢复系的筛选工作，先后育成3个组合，完全实现了C型不育化三系配套技术生产杂交种子，不需要掺合常规杂交种，直接应用于大面积生产，经多年多点推广种植表明，不仅种子纯度质量高，而且恢复散粉株率在96%以上。转育成功的不育系CB107、CV8112、CM丹1511不育株率稳定在99.6%～99.8%。 关键词：玉米；C型雄性不育系；研究；应用 玉米是禾谷类作物中大规模应用雄性不育的作物之一，特别是大面积杂交制种，要做到母本去雄及时和彻底实在是一件不容易的事，在杂交玉米种子生产上，由于去雄失误造成损失的实例屡见不鲜，杂交种种子质量不稳定是当前玉米种子生产上亟待解决的问题，利用雄性不育系制种是提高种子质量的一种有效方法。采用雄性不育系作为母本配制杂交种，不但能减少制种劳动强度，降低种子生产成本，而且能够有效地防止自交，提高杂交种子的纯度质量，促进玉米大面积增产。 国外实践证明，T群、C群和S群玉米雄性不育胞质曾经大量用于生产，2006年，美国C群和S群不育胞质的杂交种应用，已超过玉米种植总面积的40%；前苏联地区已普及不育胞质玉米杂交种；我国C群和S群玉米雄性不育胞质的杂交种，2009年应用面积仅占全国玉米播种面积的3%左右。这些不育系的应用存在的问题：首先，有的不育系类型中，如T型不育系严重感染小斑病，典型例子是1970年美国由于大面积种植T型胞质的杂交种导致玉米小斑病暴发流行，损失约30亿美元；其次，不育性的遗传较复杂，育性和恢复性不易稳定，如1986年四川省种植1.33万h m2C 型玉米杂交种C73（C77A×自330）单交曾出现恢复性散粉能力较差而造成了较大的损失。对于上述问题，当时由于存在认识上、技术上、管理上的种种原因，使我国玉米雄性不育杂种优势的研究和推广应用受到严重挫折，国家“八·五”攻关期间研究课题被取消，拉大了我国与国际的差距。 尽管如此，由于玉米雄性不育特性的利用在杂交种制种上的明显优越性，国内外玉米育种家仍坚持探索，旨在让这种特性更好地为人类服务。1986年以来云南省保山市农业科学研究所在西南山区开展玉米不育特性的研究应用，先后鉴定了T、C、S型不育胞质在本区生态条件下的育性表现，并对很多自交系进行不育系的转育和恢复系的筛选工作，目前已有3个组合实现三系配套使用。因此，利用玉米细胞质雄性不育特性以提高杂交种质量，仍不失为当前一项十分切实而有效的措施。在玉米细胞质雄性不育类型中，C型细胞质不育特性属较为稳定的类型之一，因此，结合杂交玉米育种工作，先后对自交系B107、V8112、M206和M 丹1511等进行C型雄性不育的转育和利用转育成功的不育系选育三系配套杂交种的研究应用。 1材料与方法 1.1材料用外引C型不育系材料（Cb37）为母本与本所正在育种上重点使用的11个自交系杂交，观察它们测交一代的育性表现，对其中不具备恢复性能的B107、V8112、M206和M丹1511等优良系继续采用回交方法进行核转换，以转育同型不育系。在回交转育过程中，对纯度不足的自交系单株成对测验法筛选留种。所用的C型不育系，使用前曾经过2年3代育性鉴定，其雄性不育特性十分稳定，B107是从掖107的杂株自交选育而成的，M206是从MO17Ht1中分离选育而成的，V8112和M丹1511是从省内引入的自交系。 1.2方法恢复系是从不育系转育后第3代开始测配筛选，每代用20～30个材料，3年5代共测配107份材料，其中，高代系34个，中低代材料73个。选育的重点放在有苗头组合上。对共测材料中某些纯合度较差，但配合力和恢复力较好的系采用“单株花粉两分法”测交选育。 育性的鉴定（包括不育系的雄花不育性和杂交种 基金项目：云南省玉米育种推广协作攻关项目；云南省现代农业玉米产业 技术体系建设项目 67
作物雄性不育系的鉴定
实验十作物雄性不育系的鉴定 一、实验目的 学习和初步掌握雄性不育系的植物学形态特征和花粉育性鉴定技术. 二、内容说明 雄性不育是指雌雄同株作物中，雄性器官发育不正常，不能产生有功能的花粉，但它的雌性器官发育正常，能接受正常花粉而受精结实的现象。雄性不育一般可分为3种类型：①细胞质雄性不育型，简称质不育型，表现为细胞质遗传。②细胞核雄性不育型，简称核不育型，表现为细胞核遗传。③核-质互作不育型，表现为核-质互作遗传。无论植物的不育性是那种类型，它们都会在一定的组织中表现出来。雄性不育系花粉的败育，一般出现在造孢细胞至花粉母细胞增殖期、减数分裂期、单抱花粉期(或单抱晚期)、双核和三核花粉期。其中出现在单孢花粉期较为普遍。雄蕊败育大概可分成以下几种类型： (一)花药退化型一般表现为花冠较小，雄蕊的花药退化成线状或花瓣状，颜色浅而无花粉。 (二)花粉不育型这一类花冠、花药接近正常，往往呈现亮药现象或褐药现象，药中无花粉或有少量无效花粉、镜检时，有时会发现少量干瘪、畸形以及特大花粉粒等，大多数是无生活力的花药。 (三)花药不开裂型这类不育型虽然能形成正常花粉，但由于花药不开裂不能正常散粉，花粉往往由于过熟而死亡。 （四)长柱型功能不育这一类型花柱特长，往往花蕾期柱头外露，虽然能够形成正常花粉但散落不到柱头上去。 (五)嵌合型不育在同一植株上有的花序或花是可育的，而有的花序或花则是不育的，在一朵花中有可育花药，也有不育花药。 作物雄性不育系则是具有雄性不育现象，并能将雄性不育性遗传给后代的作物品系。 我们都知道，杂种优势普遍存在，在很多植物由于单花结籽量少，获得杂交种子很难，从而是杂交种子生产成本太高而难以在生产上应用，利用雄性不育系配制杂交种是简化制种的有效手段，可以降低杂交种子生产成本，提高杂种率，扩大杂种优势的利用范围。因此，雄性不育在杂交过程中有着重要的作用。当前，农作物杂种优势主要是利