雄性不育及其杂种品种的选育

第11章雄性不育与杂交种品种选育雄性不育（malesterility）是指雄性器官发育不良，失去生殖功能，导致不育的特性。雄性不育性在植物界普遍存在。据Kaul（1988）报道，已经在43科、162属、320个种中发现雄性不育。包括玉米、水稻、小麦、高粱、油菜、棉花等主要农作物。雄性不育可以作为重要工具用于各种作物的杂交育种和杂种优势利用。雄性不育可分为能遗传的和非遗传的。遗传的雄性不育分为：早期的“三型学说”：即细胞质不育型、细胞核不育型和质核互作不育型；后来修改为“二型学说”：质核互作不育（cytoplasmic-nucleicmalesterility）核不育（nucleicmalesterility）雄性不育形态特性雄性不育植株在外部形态上与同品种的正常株极为相似，但在开花以后，不育株和可育株可以从雄花的形态上加以辨别。正常植株花药黄色肥大饱满很多成熟花粉适宜条件下充分裂开将花粉散出不育株花药色浅瘦小干瘪水渍状无花粉或无正常花粉花药不开裂无花粉散出棉花保持系棉花不育系正常植株花粉粒充实饱满形状大小一致数量多、散粉明显不育株花粉粒无内容物（淀粉粒）畸形皱缩不规则不能散粉水稻部分雄性不育的花粉粒形状（碘染色）小麦雄性不育株与正常植株比较除了以上花药和花粉的差异外，还有一些其他的异常形式：如花丝畸形，花药退化有一些不育基因与其他基因连锁或一因多效，使一些明显的农艺性状与不育性并存，有利不育植株的鉴别。如水稻不育株在抽穗后明显比正常株（保持系）矮，抽穗迟、持续时间长,表现有严重的剑叶鞘包裹穗子的现象。第一节核质互作雄性不育遗传一、质核互作雄性不育的遗传质核互作雄性不育是受细胞质不育基因和对应的细胞核不育基因共同控制的不育类型常被简称为胞质不育（CMS）。（一）质核互作雄性不育的遗传解释质核互作的6种遗传结构细胞质基因细胞核基因RRRrrrN可育N（RR）可育N（Rr）可育N（rr）可育S不育S（RR）可育S（Rr）可育S（rr）不育1、S（rr）×N（rr）→S（rr）2、S（rr）×N（RR）→S（Rr）S（rr）×S（RR）→S（Rr）3、S（rr）×N（Rr）→S（Rr）+S(rr)S（rr）×S（Rr）→S（Rr）+S(rr)质核互作雄性不育的一大特点是能实现不育系、保持系、恢复系配套，并能通过三系法将杂种优势应用于生产。三系法杂种优势利用模式（二）多种质核基因对应的遗传同一植物中有多种质核不育类型。由于胞质不育基因和核基因的来源和性质不同，在表型特征和恢复性能往往表现明显的差异。例如：玉米中38种不同来源的质核型不育系，根据其恢复性反应的差别，大体可分为T、S、C三组。用不同的自交系进行测定，发现有些自交系对三组都能恢复，有些只能恢复其中一组或二组，有的全部不能恢复。这说明每种不育类型都需要某一特定的恢复基因恢复育性——恢复基因有专效性和对应性。细胞质N1、N2、N3……NnS1、S2、S3……Sn细胞核r1、r2、r3……rnR1、R2、R3……Rn核内的育性基因总是与细胞质的育性基因发生对应互作，它们之间是相互独立，互不干扰的。核质互作的基因型以两对恢复基因为例：存在16种纯合基因型N1N2（R1R1R2R2）+N1S2（R1R1R2R2）+S1N2（R1R1R2R2）+S1S2（R1R1R2R2）+N1N2（r1r1R2R2）+N1S2（r1r1R2R2）+S1N2（r1r1R2R2）-S1S2（r1r1R2R2）-N1N2（r1r1r2r2）+N1S2（r1r1r2r2）-S1N2（r1r1r2r2）-S1S2（r1r1r2r2）-N1N2（R1R1r2r2）+N1S2（R1R1r2r2）-S1N2（R1R1r2r2）+S1S2（R1R1r2r2）-根据以上的遗传特性，不育系的搜寻（通常远缘杂交）和选育实践中，经过杂交和回交核置换，父母本进行正反交，最后只可能出现四种结果。细胞质基因是由母本提供的，细胞核基因由父本决定正反交亲本及后代的基因型和育性表现杂交方式母本×父本回交后代育性正交反交N（RR）×N（rr）nN（rr）×N（RR）nN（rr）N（RR）可育可育正交反交S1N2（R1R1r2r2）×N1S2（r1r1R2R2）nN1S2（r1r1R2R2）×S1N2（R1R1r2r2）nS1N2（r1r1R2R2）N1S2（R1R1r2r2）不育不育正交反交S1N2（R1R1r2r2）×N1S2（R1R1R2R2）nN1S2（R1R1R2R2）×S1N2（R1R1r2r2）nS1N2（R1R1R2R2）N1S2（R1R1r2r2）可育不育正交反交S1N2（R1R1R2R2）×N1S2（r1r1R2R2）nN1S2（r1r1R2R2）×S1N2（R1R1R2R2）nS1N2（r1r1R2R2）N1S2（R1R1R2R2）不育可育（三）孢子体不育和配子体不育的遗传按照雄性不育花粉败育发生的过程，可分为孢子体不育（sporophytesterility）和配子体不育（gametophytesterility）两种类型。1.孢子体不育是指花粉育性的表现由孢子体（母体植株）的基因型控制，与配子体（花粉）本身的基因无关。花粉败育发生在孢子体阶段。水稻野败型、矮败型和印水型，玉米T型不育系就属于这一类型。不育系与恢复系配制的F1杂交种S（Rr）产生两种不同基因的花粉S（R）和S（r）都是可育花粉，但F2出现育性分离。S（Rr）S（RR）+S（Rr）+S（rr）花粉可育可育可育不育结实正常结实正常结实正常不结实F1F2育性分离2.配子体不育是指不育系的花粉败育发生在雄配子体阶段，花粉的育性受配子体本身基因型控制，因此配子体基因不育时花粉表现不育，配子体基因可育时花粉表现正常。水稻包台型（BT），玉米S型均属此一类型。不育系与恢复系杂交所获得的杂种一代S(Rr)，花粉有可育S(R)和不育S(r)，各占一半，为半不育，结实正常。不育雄配子不能参与受精传给下一代，F2结实全部正常。S（Rr）S（RR）+S（Rr）花粉半不育可育半不育结实正常结实正常F1F2（四）主基因不育和多基因不育质核互作不育既有主基因(majorgene)控制的，也有多基因(polygene)控制的。主基因不育是指一对或两对核基因与对应的不育胞质基因决定的不育性。恢保关系简单，用于杂种优势方便。如油菜波里马和陕2A不育系就属于此类。多基因不育性是指由两对以上的核基因与对应的胞质基因共同决定的。恢复基因往往有累加效果，F1的表现常因恢复系携带的恢复基因多少而表现不同，F2的分离也较为复杂。小麦T型不育系就属于这种类型。第二节核质互作雄性不育杂交种品种的选育三系法是目前各种作物利用杂种优势的主要途径，即利用质核互作雄性不育杂种品种（三系杂交种）。选育包括两个阶段：三系（亲本）选育：不育系、保持系和恢复系选育亲本高度纯合杂交种选配：不育系和恢复系配制杂种，观察比较，根据生产需要确定最佳杂种品种及其亲本组合（测配）。一、不育系和保持系选育（一）胞质雄性不育材料的获得获得质核互作雄性不育材料是选育不育系的前提，其途径主要是1、自然不育株的转育寻找可育细胞质，制成保持系。如水稻野败型不育系2、远缘杂交通过正反交来判断（可育X可育）这个过程实质上就是不育细胞质与对应的非恢复（不育）基因的匹配过程。这里所指的远缘杂交是指分类上、进化上、地理分布上、亲缘关系上较远的种或品种之间的杂交。为什么远缘杂交容易找到质核互作雄性不育？当质不育基因与对应的核不育基因共同存在于一个自然体系时，必然导致物种的不育基因频率下降和消失，表现出质核协同进化（不育细胞质与核恢复基因相伴随）。而不同的遗传分化，两亲遗传差异大。他们的细胞质来源不同，存在一定的质核分化，相互杂交获得质核匹配的雄性不育的几率将会越高。哪些品种更容易找到不育细胞质？不育细胞质及其恢复基因大多存在进化程度低，倾向原始类型、物种起源中心的种或品种中，这些类型作母本更容易获得有利用价值的雄性不育。（二）不育系和保持系选育的方法1.远缘杂交核置换将此不育株作母本与正常品种杂交、回交，后代若能保持稳定不育，表示质核互作产生的不育，继续回交多代，就可育成不育系和保持系。核置换示意图连续回交选育不育系的过程，要选择性状象父本的不育单株作母本进行成对回交，在低世代回交的多株系小群体，逐渐到少株系大群体。母本父本野败×二九矮共19株，全不育占90%，高度不育占F1×二九矮10%，性状不整齐，选象父本的回交共96株，全不育占97.9%，性状有B1F1×二九矮分离，选象父本的回交共565株，全不育占99.5%，性状有B2F1×二九矮分离，选象父本的回交（保持系）共5565株，不育性已稳定，性状已B5F1整齐，完全象父本（不育系）水稻二九矮不育系选育过程2.回交转育在已有不育系或不育材料的基础上，为了丰富不育系的类型，改进不育系的农艺性状，可用回交转育的方法选育同质异核的新不育系。分测交和回交二步：测交（测保）：选择具有理想特性的一批品种（包括杂交选育过程中配合力高的亲本材料）作父本，分别与已有的不育系或不育材料杂交，测定它们对不育性的保持能力。回交：选择保持能力强的父本进行成对回交，并按不育系的要求通过连续回交加快稳定进程。（镜检、是否存在自交结实、表型选择）不育系具体要求雄性不育系的四点基本要求：1、不育性稳定彻底；2、不育性能够稳定遗传；3、性状整齐一致，与它的保持系相似；4、雌性器官发育正常。具有应用价值的优良不育系，还要具有：1、配合力好；2、恢保面广，可恢复性好；3、异交习性好（花时同步、张颖角度大、柱头大，外露率高，生活力强）4、品质好；5、抗性好；6、细胞质不具严重弊病。保持系不育系的同核异质体，在选育工作中应该先按要求选育保持系然后再通过保持系传递给不育系。转不育与测配同步3.人工制保当发现的不育株与正常品种杂交时，获得的杂种都是可育，说明这些品种都携带恢复基因，可以通过人工制保的方法获得保持系。人工制保就是把不育的核基因导入可育的细胞质里以制成具有N（rr）基因型的保持系。人工制保条件：1、不育株属于质核互作型2、可育品种的细胞质具有可育基因N，否则不能得到保持系。手段：利用恢复基因（RR）作为不育株育性恢复的桥梁。杂交………不育株S（rr）×可育品种N（RR）或S（RR）….可育基因R引入不育株使杂种恢复可育顶交………N（RR）×S（Rr）…..隐性核不育基因r引入可育胞质N（RR）N（Rr）自交…..…………………………………………….自交结果必须是全部可育测交….S(rr)×N(RR)S(rr)×N(RR)S(rr)×N(Rr)S(rr)×N(rr)………………………………………………………………..…...可育的N（rr）鉴别S（Rr）S（Rr）S（Rr）S（rr）S（rr）可育可育可育不育不育人工制造保持系示意图二、恢复系的选育（一）恢复基因的发掘来源：1、从提供不育细胞质的母本品种[S（RR）]中提取；2、从提供不育细胞质的近缘种中测筛；3、恢复品种的衍生后代，可成为恢复基因的新供体。（二）优良恢复系的选育标准恢复系必须具备三个基本条件：1、纯系；2、它能使不育系的不育性完全恢复正常；3、恢复性稳定遗传，恢复性不因世代的增加或环境的改变而变化。优良恢复系还必须具备以下优良特性：1、恢复力强；2、配合力好；3、遗传基础丰富，能与不育系保持有较大的遗传距离；4、株高稍高于不育系，花时较长，花粉量大，有利异交结实；5、品质好；6、抗性好。（三）恢复系选育的方法1.测交筛选法（测恢）直接利用现有常规品种（系）与不育系直接进行测交，从中筛选出恢复力强，农艺性状、杂种优势都达到目标要求的品种（系）成为恢复系。最简单经济而且效果好重点恢复力测定初测：多组合、小群体。复测：少组合、大群体经过复测达到育种目标要求作为重点配组的恢复系2.杂交选育法恢复系选育的主要方法（基因重组，优良性状和恢复基因聚合）边测边选（早代、中代、晚代）单交、复交、回交……（1）恢×恢在恢源丰富时恢复系选育的主要方法。恢复基因得到累加