水稻籼粳杂种不育性的遗传机理及杂种优势利用

籼稻和粳稻是亚洲栽培稻的两个亚种,两者在形态、生理以及基因水平上存在显著差异,亚种间的遗传差异将会产生强大的杂种优势,能进一步提高水稻的产量潜力,但是,籼粳亚种间的 F1 杂种不育性严重阻碍了杂种优势的利用。杂种不育性是一种合子后生殖隔离,具有普遍性和复杂性,受多个不育基因座控制。广亲和品种的发现为克服亚种间杂种不育提供可能,该材料无论与籼稻还是粳稻杂交,F1 杂种都能正常结实或结实率较高。概述了籼稻与粳稻间差异,剖析了水稻籼粳亚种间杂种不育的遗传基础、已鉴定的杂种不育主效QTL 与基因,分析了已克隆杂种不育基因的分子作用机制及广亲和基因的功能。据此提出利用籼粳架桥培育亚种间渗入水稻、聚合育种培育广亲和系和粳型亲籼系,以及应用基因编辑技术创制广亲和系等途径,能够克服籼粳亚种间杂种不育性,精准化改良籼粳杂种的结实率,从而实现亚种间杂种优势的利用。籼粳亚种间杂交水稻的推广应用,将会推动水稻产业的又一次重大变革。     

水稻籼粳杂种不育性和亲和性

籼粳稻杂种不育性存在花粉败育和胚囊败育两种主要形式 ;在籼粳稻品种中存在一些具有广亲和性的种质 ,资源广亲和性基因主要是单基因遗传 ,存在育性非等位基因 ;育性控制的解释主要有非等位基因互作理论、等位基因互作理论和广亲和基因理论。广亲和性在水稻籼粳杂交育种和籼粳杂种优势利用上具有十分重要的应用价值。本文对上述领域的研究进展进行了综述。     

水稻籼粳型品系亲籼性的分析

对4个不同类型的籼粳型品系与籼型常规水稻,籼型光温敏不育系杂交F1的育性进行了分析,结果表明4个籼粳型品系的亲籼性均比对照02428的高,与籼型测验种杂交产生的F1杂种表现出正常或接近正常的花粉育性和小穗育性;4个籼粳型品系与光温敏不育系杂交,F1杂种也表现出正常或接近正常的育性,表明这些籼粳型品系对光温敏不育性具有恢复能力。可以用于两系杂交水稻的育种中。     

水稻亚种间杂种F1低温敏感不育基因的差异显示

为研究水稻籼粳杂种低温下的育性特点和特异基因表达,以孕穗期白天24℃,夜晚20℃的低温和正常温度下生长的籼粳杂种02428/3037F1及其亲本幼穗为材料,开花期对亲本、处理和对照的花粉育性分别进行了观察,种子收获后考察了其结实率。结果表明,与对照相比,白天24℃夜晚20℃的低温处理使杂种的花粉育性和结实率明显降低,但对亲本的花粉育性和结实率影响不大。用12条锚定引物和18条随机引物共216对引物组合对总RNA反转录后的cDNA进行了PCR扩增,共有35条在处理和对照间可重复扩增的表达差异的条带。对克隆后的差异条带进行了测序和Blast,发现这些差异片段与一些幼穗发育的EST有很高的同源性,同源性均在99%以上。其中一个与位于水稻第一号染色体的过氧化物酶基因的部分片段有100%相似性,另一个与位于第十二号染色体上的蛋白磷酸化酶基因有99.99%的同源性,分别与两个LTSS基因所在的染色体一致。Southern杂交显示它们均为单拷贝片段。这些基因的表达与关闭与籼粳杂种低温敏感不育可能有密切关系。     

籼粳杂种F1结实率稳定性研究

以品种间Ｆ１为对照，观察籼粳交杂种Ｆ１在不同播期下的结实率。结果表明：由于广亲和基因的作用，籼粳杂种Ｆ１的结实率可达７０％以上，但６７％的Ｆ１结实率对环境敏感，９月中旬抽穗的亚优２号等出现高度不育，结实率仅为１０％左右，而同期的汕伏６３等品种间杂种结实率仍达８０％以上。籼粳杂种Ｆ１结实的稳定性在组合间差异很大，０２４２８／特青等５个组合稳定性较好。结实率的稳定性与亲本选择有关，０２４２８等与中国籼     

温度对无花粉型水稻温敏核不育系籼S育性转换的影响

通过对自然突变的无花粉型水稻温敏核不育系籼S进行育性转换的试验发现,籼S在广州具有明显的“可育-不育-可育”的育性转换特性,其育性变化主要受温度影响．利用自然条件下日最高温、最低温、平均温与籼S的花粉育性进行相关性分析,结果表明,高温不育敏感期以平均温推算的最长,为抽穗前的第23—10d,可达14d;而低温可育敏感期则以最低温推算的最长,为抽穗前的第24—16d,仅9d,高、低温敏感期的起始日期基本相同,但高温敏感期的截止日期要晚．13．5h的光长,24℃、24．5℃的温度均能导致籼S败育．     

籼粳杂种不育的遗传分析和候选基因鉴定

【目的】籼粳亚种间杂交F₁的育性问题严重阻碍了亚种间杂种优势的利用,探究籼粳杂种不育的遗传机理,挖掘新的籼粳杂种不育调控基因,为促进籼粳杂种结实率遗传改良提供理论依据。【方法】粳稻品种Sasanishiki和籼稻品种Habataki杂交后,采用单粒传法自交10代,获得包含95个株系的稳定遗传重组自交系(RIL),基于Illumina平台,对双亲和RIL进行高通量测序,在全基因组水平分析RIL中Habataki血缘的分布与比例,进而鉴定偏分离区域作为潜在的籼粳杂种不育位点。同时,剖析“全球3000份水稻核心种质资源重测序计划”中典型籼粳稻基因组变异数据,对群体水平进一步验证并趋近目标育性基因区域。最终通过序列比对锁定籼粳杂种不育候选基因。应用CRISPR基因编辑技术进行定点基因敲除,对目标基因进行功能验证。【结果】Habataki和Sasanishiki的杂交F₁在穗数、每穗粒数和千粒重上体现出明显的杂种优势,但其结实率显著降低,I₂-KI镜检发现F₁花粉育性显著降低。RIL的全基因组高通量测序在第1...     

遗传背景对无花粉型水稻温敏核不育系籼S杂交后代不育性表达的影响研究

将无花粉型温敏核不育系籼S与不同父本杂交,在籼S不育期内调查F2和BC1F2育性分离.结果表明:8个组合F2及BC1F2群体不育株数∶可育株数均符合1∶3,符合1对主效基因控制的遗传模式;无花粉败育方式可以稳定遗传,但遗传背景会对出现无花粉败育的时间产生影响;各组合F2不育株的不育期长短及可育期育性的差异均达到显著水平,且各组合不同单株间也存在差异;13个组合的不育株不育期长短与可育期育性的相关性差异较大,其中,籼S/金华占、籼S/籼黄占、籼S/新小占、籼S/野绿占、籼S/密粒早占等5个组合达到显著负相关水平.     

水稻雄性不育细胞质对杂种一代的影响

用夜公（Ｙ）、饶平野生稻（ＣＷ）、野败（ＷＡ）三种雄性不育细胞质的６９６４Ａ、二九矮４Ａ和珍汕９７Ａ分别与恢复系Ｔ４５配制９个组合进行随机区组试验，在相同细胞核背景下比较雄性不育细胞质对Ｆ１（杂种一代）的影响。结果表明：三种雄性不育细胞质对Ｆ１单株有效穗、穗长和产量有显著的影响。夜公和饶平野生稻两种细胞质明显地优于野败，但受不育系及核质互作所制约。相关和通径分析表明，单株有效穗、每穗粒数和结实率对单株产量有显著的直接作用。因此，在选育优良细胞质的同时，必须选育分蘖强、穗数多、可恢性好的大穗不育系，才较易配制强优组合。本文还讨论了夜公和饶平野生稻细胞质的利用以及不育系的可恢性问题，指出同质异核不育系的可恢性可能有本质差异，是水稻三系育种中值得注意的问题。     

福建籼稻光敏核不育系5460FPS的选育

我院于1986年9月在早籼稻品种5460中选出了雄性不育种质,经过2年来的试验研究,已由作物遗传育种研究所和农学系分别选育出2个籼稻光敏核不育系5460S和5460FPS,并于1988年7、8月先后通过了省级技术鉴定,现简报如下。     

不同籼稻光(温)敏不育系配组的优势比较

采用安农S-1,衡农S-1,W6154S 及5460S 等4种籼稻光(温)敏不育系分别与14个水稻品种(系)配置杂交组合,在同一条件下栽培,进行杂种优势分析.结果表明:4种籼稻光(温)敏不育系杂种产量都具有明显的平均杂种优势与超亲优势,并且都有一定比例的竞争优势组合;安农S-1可作杂交早稻不育系利用;衡农S-1与5460S 只能用作晚稻不育系;W6154S 则主要用作晚稻不育系;结实率及千粒重是影响4种籼稻光(温)敏不育系杂种产量提高的主要因素,在两系杂交稻测交组合鉴定及不育系与父本品种选育中,应注意结实率及千粒重的改良;并提出两系亚种间杂交稻选育应以选育广亲和光(温)敏不育系途径为主,此外两系杂交稻选育还应注意亲缘隔离.     

3个广亲和品种与籼粳稻的亲和力遗传分析

对3个广亲和品种02428、CPSLO_(17)和轮回422与籼、粳稻杂种亲和力和颖尖色的遗传研究表明,其杂交后代育性的遗传变异趋势相似.具有一个广亲和品种的组合,F_1花粉育性与结实率均在70%以上,F_2平均结实率为65.1%,呈连续的单峰分布,但60～80%的分离占绝大多数,F_3结实率提高较快;两个广亲和品种的杂交后代(轮回422×02428),育性明显提高,F_2结实率低于60%的单株很少,F_3群体育性已基本正常。不含广亲和品种的籼粳F_1为半不育,F_2呈正态分布.说明利用广亲和基因可有效地提高籼粳杂种的育性,广亲和力以主效基因控制外,微效多基因也有一定作用。颖尖色在F_2出现3:1或9:7分离,即受一对显性基因或两对互补基因控制,且与高结实率连锁.在某些杂交组合中,杂种早世代颖尖色可作为选择广亲和基因的标记性状。     

水稻雄性不育系天然异交率与花器性状的遗传相关 Ⅱ.基因型值分析及其与双列杂交分析结果的比较

采用7对不育系(A)、保持系(B)配制7(A)×7(B)完全双列杂交(F_1雄性不育),进行天然异交试验。应用基因型值分析方法估算相关系数。回归分析表明高异交不育系的花器性状为:柱头外露良好、花时较早和颖花窄细。其中柱头外露对异交起决定佳作用。基因型值分析和双列杂交分析结果比较,两种方法所得的相关系数阵相似,但由此导出的决定异交的性状组合不尽相同。     

二系稻N31S／P40（F1）改变库／源比对叶片衰老及同化物分配的影响

在开花期，通过剪去１／２左右颖花和剑叶以下叶片来改变库／源比，研究了改变库／源比对二系稻Ｎ３１ｓ／Ｐ４０（Ｆ_１）剑叶光合速率，叶绿素、可溶性蛋白及的ＤＡ含量，光合同化物从剑叶的输出和在稻穗中的积累，茎鞘中糖含量的变化的影响。处理后７ｄ的光合速率差异明显，去１／２颖花量的降低光合速率，而剪叶的则提高光合速率，但处理１４ｄ后则处理间无差异。剑叶叶绿素、可溶性蛋白和ＭＤＡ含量处理间差异均不显著。因此，改变库／源比并不影响二系稻Ｎ３ＩＳ／Ｐ４０剑叶的衰老行为。但是，改变库／源比后茎鞘糖含量的变化差异明显。疏花的茎鞘可溶性糖含量高于对照，而剪叶处理的则低于对照。淀粉含量处理间差异不明显。剪叶提高乳熟期剑叶光合同化物在穗中的分配，疏花则降低在穗中的分配，但疏花提高了光合同化物在茎鞘中的分配。