第二章 水稻雄性不育理论

第二章水稻雄性不育理论第一节雄性不育的外部形态和细胞学颖花的形态和构成水稻颖花主要由护颖、内颖、外颖、雌蕊和六枚雄蕊构成。雄性不育系的形态特征性状孢子体不育系配子体不育系保持系花药形态花粉形态花粉内淀粉碘液染色穗颈育性干瘪、瘦小畸形、皱缩不规则无或极少不染色或浅色较短，多包颈自交不结实比保持系较瘦小圆形，稍小充实不够篮色或浅篮色稍短，不包颈自交不结实肥大，饱满饱满圆球形多篮黑色正常自交结实正常不育系与保持系的形态区别花药孢原细胞造孢细胞花粉母细胞四分体单核花粉双核花粉三核花粉生殖细胞营养细胞减数分裂水稻花粉发育和形成示意图花粉败育的类型三核败育型双核败育型单核败育型无花粉型无花粉型的特征•造孢细胞发育异常；•花粉母细胞发育异常；•四分体以后发育异常。单核败育型•主要发生在单核晚期，表现为原生质收缩退化，核模溶解，核内物质和细胞质相混淆而难以区别，并逐步解体消失，细胞成为内容物质的空壳花粉。单核期败育花粉极不规则，在显微镜下呈三角形、棱形等典型的败育形状。因此，单核期败育又称为碘败型。双核败育型•进入双核期以后，生殖核和营养核先后解体而败育。这种类型以红莲型不育系为代表。由于双核期败育的花粉呈圆形，所以又称圆败型。三核败育型•败育发生在双核末和三核初，因此时花粉中已有少量淀粉形成，故I、KI溶液染色反应呈蓝色，但比正常花粉粒染色浅一些，故三核期败育又称染败型。1：孢子体不育系珍汕97A，花粉外型不规则且不能被染色；2：配子体不育系丛光41，花粉外型为规则的圆形，但是不能被染色；3：配子体不育系02A，花粉外型为规则的圆形，但是染色较浅第二节雄性不育的分类可遗传型非遗传型表现型孢子发生型功能型结构型质核互作型质不育型核不育型遗传型化学不育型生理不育型生态不育型光周期酶代谢平衡其他生化物质气候生物土壤地文温度其他化学药物杀雄剂雄性不育类型按恢保关系分按花粉发育的形态分按遗传特点分包台型红莲型野败型染败型圆败型碘败型配子体不育孢子体不育水稻雄性不育分类无花药型、无花粉型孢子体不育与配子体不育遗传模式孢子体不育系的遗传模式配子体不育系的遗传模式第三节雄性不育的遗传理论三型学说•核不育型•质不育型•核质互作型雄性不育的三种类型——核不育是由核内染色体上基因所决定的雄性不育类型。如：可育基因Ms不育基因ms。核不育变异在稻、麦、玉米、谷子、番茄和洋葱等许多植物中都已发现。例如：番茄中有30对核基因能分别决定这不育型；玉米的7对染色体上已发现了14个核不育基因。遗传特点：败育过程发生于花粉母细胞的减数分裂期间，不能形成正常花粉败育十分彻底，可育株与不育株界限明显。遗传研究表明：多数核不育型均受简单的一对隐性基因（msms）所控制，纯合体（msms）表现为雄性不育。这种不育性能被相对显性基因Ms所恢复，杂合体(Msms)后代呈简单的孟德尔式的分离。msms×MsMs↓Msms↓⊗MsMsMsmsmsms3∶1﹡水稻光敏核不育材料：长日照条件下为不育(＞14h，制种)；短日照条件下为可育(＜13.75h，繁种)。﹡水稻温敏核不育材料：＞28℃，不育；＜23-24℃育性转为正常。目前发现的光、温敏核不育材料提供了一种解决上述问题的可能性：1973年，石明松在晚粳农垦58中发现“湖北光敏核不育水稻－农垦58S”。“农垦58S”在长日照条件下为不育，短日照下为可育将不育系和保持系合二为一提出生产杂交种子的“二系法”。光敏核不育系短日可育长日不育恢复系光敏核不育系恢复系F1杂交种×⊗⊗♀♁雄性不育的三种类型——质不育IRRI运用远缘杂交培育的雄性不育系IR66707A(Oryzaperennis细胞质，1995)和IR69700A(Oryzaglumaepatula细胞质1996）均具有异种细胞质源，其细胞质完全不同于目前所有的水稻雄性不育系。细胞质型不育系的不育性只能被保持而不能被恢复。目前已在270多种植物中发现有细胞质雄性不育现象。雄性不育的三种类型——质核互作不育⑴.概念由细胞质基因和核基因互作控制的不育类型。⑵.遗传特点胞质不育基因为S；胞质可育基因为N；核不育基因r，不能恢复不育株育性；核可育基因R，能够恢复不育株育性。⑶.以不育个体S(rr)为母本，分别与五种可育型杂交♀♂F1S(rr)不育×N(RR)可育S(Rr)可育S(rr)不育×N(rr)可育S(rr)不育S(rr)不育×N(Rr)可育S(Rr)可育+S(rr)不育S(rr)不育×S(RR)可育S(Rr)可育S(rr)不育×S(Rr)可育S(Rr)可育+S(rr)不育①.S(rr)×N(rr)S(rr)中，F1表现不育。其中：N(rr)个体具有保持母本不育性在世代中稳定的能力，称为保持系(B)。S(rr)个体由于能够被N(rr)个体所保持，其后代全部为稳定不育的个体，称为不育系(A)。②.S(rr)×N(RR)或S(RR)S(Rr)中，F1全部正常可育。N(RR)或S(RR)个体具有恢复育性的能力，称为恢复系(R)。③.S(rr)×N(Rr)或S(Rr)S(Rr)+S(rr)中，F1表现育性分离。N(Rr)或S(Rr)+S(rr)具有杂合的恢复能力，称恢复性杂合体。⑷.可将各种杂交组合归纳为以下三种情况⑸.生产上的应用质核型不育性由于细胞质基因与核基因间的互作，故既可以找到保持系不育性得到保持、也可找到相应恢复系育性得到恢复，实现三系配套。同时解决不育系繁种和杂种种子生产的问题：繁种：A×BA制种：A×RF1保持系F1杂交种不育系保持系不育系恢复系恢复系××⊗⊗♀♁♁1973年，实现水稻三系配套、并成功的应用于大田生产。1997年，杂交稻种植面积为2.60亿亩（1732.5万ha），约占水稻种植面积的62.84%，总产1.22亿吨，单产468.67kg/亩（7.03吨/ha），比全国水稻平均产量增11.17%。至1999年，杂交稻累计种植面积为37.5亿亩（2.5万ha），增产粮食3700亿kg）。水稻三系杂种优势的利用：中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平先生其它学说•二型学说•多种核质基因对应性学说•通路学说•亲缘学说•Ca2+-CaM系统调控假说•生理调控假说第四节水稻雄性不育的分子机理线粒体基因组(mtDNA)与CMS之间的关系----BT-CMSatp6RNA:2.7kb转录Protein:ORF79花粉败育Chr10Kadowakietal.,1990;Akagietal.,1994;Komorietal.,2004;Wangetal.,2006RNA:2.8kbRf-1S12564Tsp5091C1361Mwol育性恢复水稻配子体不育和孢子体不育的CMS/Rf对比孢子体不育和配子体不育的CMS败育机理可能不同败育类型花粉败育时期恢复基因数恢复基因在染色体上的位置mtDNA上的不育基因CMS/Rf配子体不育双核或三核期一对Chr10变异atp6基因较为清楚孢子体败育单核期至少两对Chr1、Chr4、Chr10长臂、Chr10短臂和Chr12不清楚不清楚叶绿体基因组(cpDNA)与CMS之间的关系叶绿体?水稻CMSNotsuetal.,2002叶绿体、线粒体和细胞核三个系统之间的DNA交换●叶绿体DNA可以流向细胞核和线粒体基因组★细胞核和线粒体DNA不能流向叶绿体叶绿体和细胞核之间的调控模式(Surpinetal.,2002)叶绿体基因的表达受核基因组的调控Ruiz和Daniell(2005)把pHaA基因导入烟草叶绿体，首次获得了雄性不育系，为研究叶绿体与CMS的可能相关性奠定了理论基础叶绿体基因组也可以充当CMS因子的载体细胞学及生理生化研究◆不育系和保持系的叶绿体超微结构存在差异◆不育系和保持系的叶绿体可溶性蛋白存在差异◆不育系和保持系的叶绿体过氧化物酶存在差异◆其它作物的CMS现象也可能与cpDNA相关，如高粱B1A1珍汕97A和BcpDNA的AFLPE-AAC/M-CTC细胞质雄性不育系与其同核异质保持系间叶绿体DNA的差异性A1.AACTAACAGATGGAGGAAATTGCACAAGGAATCCTGGTCTCAAB1.AACTAACAGATGGAGGAAATTGCACAAGGAATCCTGGTCTCAAtRNA-Leu（UAA）→A1.AGAAAAAGAAAATGGGGATATGGCGAAATCGGTAGACGB1.AGAAAATGGGGATATGGCGAAATCGGTAGACGA1.CTACGGACTTGATTGTATTGAGCCTTGGTATGGAAACCTGCTB1.CTACGGACTTGATTGTATTGAGCCTTGGTATGGAAACCTGCT珍汕97A1和B1的DNA序列测定品种原始来源胞质类型珍汕97A冈46AⅡ-32AK17A海南岛野生稻西非冈比亚卡籼稻印尼水田谷粳稻83-K52野败型籼型印水型（籼型）粳型珍汕97B、冈46B、Ⅱ-32B、K17B早籼籼型四种不育系的细胞质来源及类型该差异性在不同不育胞质类型间的共性水稻野生稻栽培稻亚洲栽培稻非洲栽培稻籼亚种粳亚种珍汕97A冈46AII-32AK17A46501aatcctggtctcaaagaaaaagaaaatggg叶绿体基因组aatcctggtctcaaagaaaaagaaaatggg珍汕97Aaatcctggtctcaaagaaaatggg珍汕97Baatcctggtctcaaagaaaaagaaaatggg冈46Aaatcctggtctcaaagaaaatggg冈46BaatcctggtctcaaagaaaaagaaaatgggK17AaatcctggtctcaaagaaaatgggK17BaatcctggtctcaaagaaaaagaaaatgggII-32AaatcctggtctcaaagaaaatgggII-32BtRNA-Leu（UAA）→四种不同细胞质不育系及其保持系特异区段序列差异不育系和保持系cpDNA差异片段的共性分析奇数代表不育系，紧随其后的偶数为相应保持系，方框指示差异片段。所有材料都是用AFLP引物组合E-CTC/M-AAC分析编号水稻品种细胞质类型败育类型花粉败育类型是否存在多态性1丛广41A红莲型(HL)配子体败育圆败无3滇A滇型(DI)配子体败育染败无5渝A滇型(DI)配子体败育染败无7秋光ABT配子体败育染败无9秀ABT配子体败育染败无1102ABT配子体败育染败无13151ABT配子体败育染败无15扶选41ABT配子体败育染败无17秀ABT配子体败育染败无19笹ABT配子体败育染败无21326A密阳23不祥碘败有23K18AK型(K)孢子体败育碘败有25K22AK型(K)孢子体败育碘败有27K17AK型(K)孢子体败育碘败有29D62AD型(Di)孢子体败育碘败有31金23A野败型(WA)孢子体败育碘败有33花ⅠA野败型(WA)孢子体败育碘败有35赣忧ⅠA野败型(WA)孢子体败育碘败有37遂A野败型(WA)孢子体败育碘败有39武金5A野败型(WA)孢子体败育碘败有41缙2A野败型(WA)孢子体败育碘败有43珍汕97A野败型(WA)孢子体败育碘败有45红A野败型(WA)孢子体败育碘败有47冈A冈型(G)孢子体败育碘败有49Ⅱ-32A印尼水田谷型(ID)孢子体败育碘败有不育系和保持系cpDNA差异片段的序列分析1GATTCAAAAAAAACTAACAGATGGAGGAAATTGCACAAGGAATCCTGGTCTCAAAGAAAAAGAAAAT秋光A1GATTCAAAAAAAACTAACAGATGGAGGAAATTGCACAAGGAATCCTGGTCTCAAAGAAAAAGAAAAT秋光B1GATTCAAAAAAAACTAACAGATGGAGGAAATTGCACAAGGAATCCTGGTCTCAAAGAAAAAGAAAAT缙2A1GATTCAAAAAAAACTAACAGATGGAGGAAATTGCACAAGGAATCCTGGTCTCAAAGAAAA------T缙2B61G