水稻光温敏不育基因研究进展

天津科技大学

学年论文

题目水稻光温敏不育基因研究进展

姓名闻婷婷

所在学院食品工程与生物技术学院

专业班级生物技术

学号07143125

指导教师王芳

日期2010年 7月12日

摘要

水稻是最重要的粮食作物之一，全世界一半以上的人口以稻米为主食。在中国，2004年水稻的种植面积约为2837.9万hm2，占粮食作物播种面积的27.93％，产量达到1.79亿t，占粮食总产量的38.15％。在耕地面积逐年减少，粮食总产不断下降的情况下，大幅度提高作物的单产，尤其是水稻的单产，对于确保中国粮食安全，实现粮食产量恢复性增长，具有重要意义。我国杂交水稻育种在国际上居于领先地位。近年来,在袁隆平院士“形态改良与杂种优势相结合”的技术路线指引下,我国超级杂交稻研究取得了重大突破。

关键词：水稻光温敏不育系温敏核不育基因两系杂交稻“三系”体系 DNA分子标记法

ABSTRACT

The paddy rice is one of most important grain crops, world more than 50% populations take the paddy rice as the staple food. In China, in 2004 paddy rice's sown area approximately was 2837.9 ten thousand hm2, occupied the grain crops sown area 27.93%, the output achieved 1.79 hundred million t, accounted for the grain ultimate output 38.15%. Reduces year by year in the cultivated area, the grain total output drops unceasingly in the situation, enhances crops large scale the per unit area yield, particularly paddy rice's per unit area yield, regarding guaranteed that China food security, realizes the grain yield restitution to grow, has

the important meaning. Our country hybrid rice breeding internationally resides in the leading position. In recent years, in academician Yuan Longping “the shape improvement and the heterosis unified” under the technical route direction, our country super hybrid rice research has made the important breakthrough.

目录

1我国水稻发展 (4)

2杂交水稻“三系”体系 (5)

3核不育基因的定位研究果 (6)

3.1光敏核不育基因定位的研究进 (6)

3.2温敏核不育基因定位进展 (7)

结束语 (11)

参考文献 (12)

水稻光温敏不育基因研究进展

1973年秋，石明松在湖北沔阳县(现名仙桃市)晚粳农垦58大田中

发现了3株雄性不育株。1986年，袁隆平结合Ikehashi等人报道水稻广亲和研究结果，率先提出“两系法”利用水稻杂种优势的战略设想，利用自然两用系，即在长日高温下制种，在短日低温下繁种，一系两用，从此拉开了大规模研究光温敏核不育水稻的序幕。迄今为止，中国在光敏核不育水稻的研究与利用方面已取得了巨大的进展，不仅获得了以光温敏核不育系为基础的两系杂交水稻。而且有关光温敏核不育水稻的基础理论研究也取得了瞩目的进展。目前，已有70多个水稻细胞核雄性不育基因被报道，这为积极稳妥地推广两系法杂交水稻提供了珍贵的参考依据。

我国水稻发展

中国种稻，历史最久远。60年代的矮秆育种，使我国水稻产量提高了30%, 70年代培育成功的三系杂交水稻又比矮秆水稻产量提高20%。这是我国水稻科技革命的两次重大飞跃。但80年代以来我国水稻的产量就好象停止生长的竹笋，始终处于稳定格局，亩产在450公斤左右徘徊。土地资源没有扩大，而我国的人口一天也没有停止增长，怎样才能保证我国60%以稻米为主食的人口有饭吃，90年代科学家终于发明了新的提高水稻产量、质量的方法，这就是两系法杂交水稻。两系法杂交稻是利用光温敏不育系水稻为基本材料培育的。光温敏不育系水稻非常神奇，他的生育能力是随着光和温度的变化而达到一系两用的目标。具体地说：这种水稻在夏季，长日照、高温下，表现为雄性不育，这时所有正常品种都能和他生育，生产杂交种子，这个种子就是两系

杂交水稻的种子。这种光温敏不育系水稻在秋季、短日照、低温下又变成了正常的水稻，自己繁殖自己，也就是自己接种。因为水稻是属于雌雄同花的自花授粉植物。国家863计划已把它作为提高我国水稻产量、改良品质和增强抗病虫性的主要途径。目前育种家培育出的27个产量高、品质优、抗病虫性强的两系杂交水稻新组合，已在全国种植，累计推广面积6000万亩以上，产量比常规水稻提高20%以上，累计增产稻谷40多亿公斤。到2 1世纪30年代，我国人口将达到16亿，要保证未来粮食供给平衡，唯有提高单位面积产量。科学家们正在运用两系法培育超级杂交水稻，其单位面积产量将比现有杂交水稻提高20%以上。2 1世纪的两系杂交水稻，将具有更丰富的营养，稻米中含有维生素、铁等有利于人体健康的物质。两系杂交水稻的稻米品质优，米饭清香可口，营养价值更高。基因工程两系杂交水稻，既抗病又抗虫，并且耐贫瘠，农民不必喷洒农药和少施肥，就可以获得丰收。这样的稻米才是真正的绿色食品。两系法杂交水稻产量的大幅度提高，将回答美国人布朗先生提出的“未来谁来养活中国人”的命题。中国人不但能自己养活自己，还将有更多的优质稻米出口，养活世界上更多的人。

杂交水稻“三系”体系

当前杂交水稻的种子主要是通过“三系”体系生产。这种三系体系在组合选配上存在着恢保关系的限制，亲本选配自由度小；同时还存在着不育系种子繁殖程序繁琐的问题，限制了杂交稻的进一步展。

水稻光温敏雄性不育的发现，为水稻杂种优势的利用开辟了“两系法”的新途径。水稻光温敏雄性不育受核隐性基因控制，而绝大多数水稻品系都具显性基因，与光温敏雄性不育系配组的杂种均可正常结实。同时光温敏不育系繁殖不用保持系，自交产生种子，可一系两用，不育系繁殖程序简单。故而光温敏不育系受到了水稻育种者的极大重视。在新世纪到来之际，为满足人们对稻米质和量的需求，利用气候、稻种资源的优势，选育新的光温敏雄性不育系，有效地开发杂种优势是水稻育种者面临的重要任务。

核不育基因的定位研究成果

随着不同种质，即不同基因源的光温敏核不育水稻的发现，对光温敏雄性不育水稻基因的遗传规律和遗传机理研究的进一步深入，不育基因的分离、定位也取得了较大的进展。

光敏核不育基因定位的研究进展

最初对光敏不育基因的遗传定位发现主要是通过有关遗传模式的分析，以及基于形态标记和同工酶标记的定位工作并取得一定进展。但目前，对于不育基因的定位主要采用DNA分子标记法。Zhang

等以“32001S×明恢63”的F2群体为材料，通过RFLP和SSR已发现至少有2个基因与32001S不育性表达有关，并将其定位在第7和第3染色体上，分别命名为pmsl、pms2，其中pmsl不育基因效应较pros2大。Wang等利用RAPD技术对“NK58S×NK58F”F2群体进行了BSA分析，找到了与NK58S的光敏核不育基因连锁的分子标记PGMS 0．77，并把

NK58S的光敏核不育基因定位于第7染色体上；王京兆等以“农垦58S”

与FL2杂交所得到的F2分离群体为材料进行RAPD分析，从检测过的300多个引物中发现有2个引物在不育群体中扩增出多态性产物，并推断引物OPX一07600与PGMS基因连锁。Liu等以明恢63和32001S的杂交后代分离群体为材料，基于分子标记和图位克隆的方法，构建了pmsl

区域的物理图谱，并且把prosl位点定位在第7染色体上RC,477和

R1807标记之间的一个85kb长的DNA区段。

Mei等以“农垦58S×农垦58”及“农垦58S×1514”2个F2，群体为材料，通过BSA分析找到了NK58S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；李子银等对农垦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，二者之间的遗传图距为141 cM。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5．80 cM和7．75 cM。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1．5 cM和3.05cM 。Lu等将pms3定位在标记LJ25和LK40间的28．4kb 的DNA片段中，与标记LJ47和LJ265共分离。

温敏核不育基因定位进展

到目前为止，已发现并鉴定出控制温敏核不育基因tmsl、tms2、tins3、tins4、tins5、tins6、Ms—h、rtmsl等(表1)并分别定位于水稻的8、7、6、2、2、5、9和10号染色体上。

Wang等以“5460S×红晚52”的F2群体为材料，利用RAPD技术和

BSA分析，找到了与温敏核不育基因tinsl相距6．7 cM的多态性RAPD 标记TGMSl．2，并将tmsl基因定位于第8染色体上。后来他们又利用AFLP技术，采用BSA分析对F：代分离大群体进行筛选，筛选出了一个与tmsl相距1．3 cM的AFLP标记AF3。Yamaguchiy等利用“H89—1×Nekken2”的F2分离群体将Norin—PLl2中的温敏雄性不育基因定位于第7染色体，位于RFLP标记R643和R1440之间，命名为tins2。Subudhi 等以“IR32364×IR68”F2分离群体为材料，采用RAPD结合BSA分析将IR32364中的温敏雄性不育基因定位于第6染色体的RAPD

标记0PAC3640和OPAA7550之间，命名为tms3。Dong等120l则利用多种分子标记，通过BSA分析，将越南温敏核不育系TGMS—VNl的温敏雄性不育基因定位于第2染色体上，距其最近的为AFLP标记E5／M12—600为3．3 cM，并将其转化为PCR标记，命名为tms4。与此同时，Reddyouk 等通过对“SA2×N22”F，分离群体的RAPD、AFLP、SSR和BSA分析，将SA2的温敏雄性不育基因定位于第9染色体的AFLP标记EAA／MCAG和微卫星标记RM257之间，距离EAMMCAG和RM257分别为5．3 cM和6．4cM，命名为TGMS。Jia等以“安农s—l×南京11”组合的F2分离群体为定位群体，采用AFLP、RFLP和SSR等分子标记技术，将安农s一1的温敏雄性不育基因定位于第2染色体短臂的RM394和RMl74之间，并命名为tms5，其中R394距tms5为2．5 cM，RMl74在该群体中与不育基因共分离。Wang等以“安农s—l×南京11”的重组自交分离群体(RIL)为材料，用SSR、AFLP、RAPD、STS和CAPs等分子标记技术，将tms5定

位于第2染色体上的STS标记C365—1和CAPs标记G227—1之间，与两者

之间的遗传距离为1．04cM和2．08 cM。姜大刚等将tms5定位于SSR

标记RMAN7和RMAN54的18Ikb的范围内。Yang等将tms5定为在引物4039一l和4039—2之间19kb的DNA片段内。Leeds以F2分离群体(Sokcho—MS×Neda)为材料，采用SSR、STS和EST标记相结合，将温敏不育系Sokcho—MS定位于第6染色体上，位于标记RM335l和E60663之间，遗传距离分别为o．1 cM和1．9 cM，命名为tms6。另外，Koh等通过对“Hwacheongms—h×Milyang”F2群体的RFLP和BSA分析，发现不育系Hwacheongms—h携带的不育基因ms—h(t)位于第9染色体上，位于RG451和RZ404之间，遗传距离分别为2．5 cM和3．3cM，命名为ms—h “)。周开达以F2群体“8987×地谷”为基础，应用RFLP和微卫星标记SSR结合群分法BSA，将该基因定位于第6染色体的RFLP标记C235和SSR标记RM50之间，遗传距离分别为6．4 cM和12．9 cM，暂定名为TMS。在水稻上还发现了1个在低于温度临界值时产生败育的新型温敏雄性不育系，Jia等结合AFLP和BSA，其反温敏雄性不育基因被定位在第10染色体的分子标记RM239和RG257之间，遗传距离分别为3．6 cM和4．0 cM，并命名为rtmsl。

表1 定位的温敏核不育基因

展望

至今研究者们已经对不同材料中发现并鉴定的多个光温敏不育基因进行了精细定位．并获得了与不育基因密切相关的一些基因片段。虽然大部分基因距图位克隆并最终得到分离还有一段很长的距离，但是有个别基凶已定位的相当精细了，如pms3、tins5等，已基本达到了图位克隆的要求。早期用于分子定位和图谱构建的大部分是RFLP标记，随着水稻全序列基因组的测序工作完成、微卫星标记技术的发展、越来越多的微卫星标记在水稻基因组图谱上被标示出来，还有我国第一张AFLP遗传图谱的构建都为基因定位提供了强大的帮助和支持。今后，更高密度的遗传和物理图谱、大量新开发的标记都将越来越多的应用于光温敏不育基因定位的研究中，为分离不育基因、揭示不育基因的遗传机制提供众多的遗传信息。但是，光温敏雄性核不育的形成过程是极其复杂的，有其特殊的环境背景。包括基因与环境间的互作、基因与基因问的互作、还有基因与表达产物间的互作等等。因此，要在短期内弄清光温敏不育的调控机制几乎是不可能的。也就要求今后不仅要从其光温反应、生态特性的角度。更要结合对光温敏不育基因的候选基因片段进行全序列分析、功能验证以及基因表达产物的分析等方面的研究，从分子生物学的角度进行讨论。对光温

敏不育基因调控机制的了解有助于有效的利用一些分子育种技术来

培育获得理想的两系杂交材料，另外，光、温是所有高等植物建成不可或缺的生态因子。从基因的角度揭示光、温对植物发育机理的影响将具有极其深远的意义。

随着水稻基因组计划的实施与完成，己经构建了多个基因组文库，而且全序列己经进行了测定并释放。在己知全基因组序列的情况下，利用图位克隆法进行克隆基因，借助公共数据库中的序列信息，发展、开发目标基因区域的分子标记，将目标基因限定到较小的范围内，大大加快基因克降的速度。通过分子辅助标记和图位克隆等技术对光温敏不育基因的定位研究将会在基因水平解释光，温条件对植物发育机理的影响，对水稻的杂交育种具有极其深远的意义。

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