水稻温敏核不育系育性转换因素及生理生化特性

2013-01-25肖层林

作物研究 2013年2期

陈秒，尹超，刘烨，肖层林

(湖南农业大学农学院，长沙410128)

20世纪90年代中期，两系杂交水稻的选育获得初步成功。随着对水稻光温敏核不育系育性研究的不断深入，育性转换影响因素及相互关系和生理生化变化规律不断被揭示，对选育实用型光温敏核不育系起到了重要作用。主要体现在对不育材料的创制、发现，育性转换温度的选择标准、育性转换温度的鉴定方法等方面，先后育成了多个光温敏核不育系用于生产。至今，我国生产上大面积使用的两系杂交水稻的母本以温敏型核不育系为主，育性转换起点温度低于24℃，其中湖南的选育标准低于23.5℃。对温敏核不育系在世代间群体育性表达的不稳定性，因温度变化导致群体内个体间的育性波动差异等也有了较为深入的探讨，降低了制种和繁殖的风险［1～3］。笔者综述我国在水稻温敏核不育系育性转换影响因素及生理生化特性的研究成果，对温敏核不育系育性转换温度的选育目标提出更实用要求，以进一步保障两系杂交水稻安全高产制种和不育系高产稳产繁殖［4］。

1 水稻温敏核不育系育性转换因素

1.1 光温因素

温度在温敏核不育系育性转换中起主导作用，不育基因的表达条件主要是温度［5］。周广洽等［6］利用自然条件及人工光温处理对水稻籼型不育系安农S－1进行研究，结果表明，安农S－1的不育基因表达的主要条件是高温(连续3 d敏感期日均温大于27℃)，当敏感期日均温低于24℃时(连续3 d)，育性将由不育转向可育。陈良碧等［7］对不同来源的温敏核不育系安农S－1、衡农 S－l、衡农S－2、W7415S、N－105和N－135的研究也获得了相同的结果，即高温(昼温31℃，夜温28℃)可以诱导供试温敏不育系不育基因充分表达，低温(昼温24℃，夜温22℃)则抑制不育基因的表达，而且不同材料对低温反应的程度不同，如衡农S－1和衡农S－2在减数分裂期仅需3 d低温处理就可阻抑不育基因表达，而安农S－1和W7415S则需要连续7 d低温处理才出现可育。陈立云［5］认为，温敏不育系育性不受光照长度的影响或影响极其微小，但却受日平均温度和低温持续时间的影响。陈国惠等［8］通过对水稻温敏核不育系培矮64S分期播种试验证明，温敏不育系的可育性与敏感期日均温呈极显著负相关。牟同敏等［9］通过对多个籼型水稻环境敏感核不育系在多地的育性变化研究认为，不存在纯粹的光敏或温敏不育系。

与上述高温不育、低温可育温敏核不育水稻，即正(向)温敏核不育水稻相对应，还存在一种反(向)温敏核不育水稻，它们的育性表现为高温下可育，低温下不育。李训贞等［10］利用人工气候室对水稻核不育材料N－10S和N－13S进行鉴定，结果表明，N－10S、N－13S属于温敏不育系，且在敏感期日平均温度低于23.6℃时(N－10S历期7 d、N－13S历期8 d)表现不育，花粉典败率达98%以上，自交结实率为0;而在减数分裂期经高温(光期31℃，暗期28℃)条件下处理6 d，N－10S和N－13S均表现为可育，其结实率分别为36.7%和55.6%。阳花秋等［11］对低温敏核不育系go543S的研究表明，其育性转换的临界温度较高，在育性敏感期经3 d以上日平均气温31℃以上的温度诱导，育性将从不育转向可育。吴厚雄等［12］对go543S的研究也获得了相同的结果，其育性敏感期在人工恒温28.0℃条件下处理，均表现不育，其不育性不受光周期影响，在人工恒温31.5℃条件下处理，均表现可育，但短日(10～12 h)可明显提高其可育性。

1.2 育性转换的发育阶段

温度使核不育系育性发生变化的时期叫温度敏感期。不同的温敏核不育系诱导其育性转换的温度敏感期迟早及敏感期时间的长短均有不同。不同研究者运用不同材料、在不同的试验条件下对育性转换温度敏感期的研究结果有所不同。众多研究表明，温敏核不育系育性转换温度敏感期是花粉母细胞形成期至减数分裂期，其中以花粉母细胞减数分裂期为最敏感时期，但是，多年来各地的研究结果仍有差异。张自国等［13］对温敏雄性不育水稻(IVA)研究发现，诱导育性转换的敏感期为花粉母细胞形成期至花粉单核早期。杨仁崔等［14］通过对培矮64S、安农S－6、衡农S－1等7个籼稻光温敏核不育系的研究，认为光温敏核不育系对温度的敏感期除了减数分裂期外，在开花前20 d左右还有另一个育性温度敏感期。邓启云等［15］对64个不同类型、不同基因来源的光温敏核不育水稻品系的育性光温反应进行研究，认为不同类型和不同基因来源的不育系可能都有一个共同的敏感期和一个可能不同的最敏感期，其敏感期是从第二次枝梗和颖花原基分化期到花粉内容充实期，而试验观察到的最敏感期则有3个，分别在开花前12～17 d、10～14 d和3～8 d。由此表明，各地对不同不育系所进行的温度敏感期研究结果有所不同，对同一不育系而言，不同研究者或研究方法之间的结果也存在差异［16］。

1.3 育性转换的遗传背景

武小金等［17］通过观察安农S－1杂交后代的4个不育系在自然条件下的育性表现，发现不同亲本的杂交后代的育性波动与同一亲本杂交后代不同株系的育性均存在极显著差异，表明遗传背景对温敏不育系的育性表达有明显的影响。朱国奇等［18］对不同基因来源的籼型光温敏不育系与不同生态类型的常规籼稻品种杂交组合的F2群体育性分布多态性进行研究，发现光温敏不育性的遗传分离多态性可能与不同生态型的常规籼稻品种的遗传背景有密切关系。

光温敏核不育是一种十分复杂的光温生态现象［19］，不育基因表达需要有严格的光温条件，自然气候条件的复杂多变，使得光温敏核不育水稻在遗传学上的表现非常复杂。光温敏核不育性遗传机理的研究结果不一，主要有只受1对主效基因控制的单基因遗传模式［20］、受2对主效基因控制的双基因遗传模式［21，22］、受3对隐性基因互补共同作用的三基因遗传模式［23］、非典型分离模式［24］以及质量－数量性状模式［25］等。陈立云等［26］提出了水稻光温敏核不育机理新设想，即水稻光温敏不育系育性转换是主效不育基因与发育感光基因或发育感温基因相互作用的结果。

2 水稻温敏核不育系育性转换的生理生化特性

2.1 脯氨酸含量的变化影响花粉育性

大量研究表明，脯氨酸含量的变化影响花粉育性。脯氨酸作为亲水性的渗透调节物质，可以保持细胞的膨压，增加持水力，增强植株的抗逆性［27］，在花粉萌发过程中是良好的氮源和能源，对促进花粉萌发有重要作用［28］，其含量的降低会导致花粉活力降低而影响育性。王伟平等［29］通过对水稻恢复系蜀恢527幼穗分化Ⅴ、Ⅵ期进行不同温度处理，发现高、低温处理均导致POD活性变化而影响花粉育性。高温处理后花药中淀粉含量与花粉育性关系密切，而低温处理后脯氨酸含量与花粉育性关系密切。肖翊华等［30］以光敏核不育水稻农垦58S和农垦58可育株为材料，在人工控制长、短日条件下对花粉发育的不同时期，即单核早期、单核晚期、二核期和三核期花药的游离氨基酸进行比较分析，结果表明，与花药败育有关的是脯氨酸，其次是丙氨酸。俞美玉［31］报道，化学杀雄剂CRMS引起脯氨酸的缺乏，从而导致花粉败育。

2.2 可溶性蛋白质含量与育性

黄庆榴等［32］研究发现，粳型光敏核不育水稻7001S在育性转换过程中，在可育花药中可溶性蛋白质含量高于在不育花药中的含量。舒孝顺等［33，34］研究发现，光温敏核不育水稻安农 S － 1、N－10S等在不育温度条件下的幼穗中的可溶性蛋白质含量显著低于可育温度条件下的含量，说明在育性敏感期幼穗中可溶性蛋白质含量较高是花粉正常发育的必要条件。傅军如等［35］也认为，在花药内可溶性蛋白质含量偏低，是不育株花粉败育的一个重要生理特征。

2.3 雄性不育的酶活性

陈贤丰等［36］对水稻7017、二九矮细胞质雄性不育系及其保持系花药的POD、CAT和SOD活性等进行研究，结果表明，单核早期不育及可育花药的酶活性差异不明显，单核晚期、二核及三核期的不育花药酶活性显著低于可育花药。在不育花药中缺少2条Cu－Zn SOD同工酶带，而且O－2的产生效率为可育的4.1～5.5倍，并伴随H2O2和MDA的积累。不育花药中H2O2的积累和膜脂过氧化的加剧，可能与花粉败育有关。陈良碧等［37］对温敏核不育系花粉母细胞形成期和减数分裂期幼穗花药和叶片中的过氧化物酶进行测定，结果表明，不育株幼穗花药中过氧化物酶活性高于可育株，差异达到极显著水平。舒孝顺等［38］研究发现，在育性敏感的花粉母细胞形成期和花粉母细胞减数分裂期，温敏核不育水稻1356S、衡农S－2、N－10S和N－13S不育株幼穗花药中的过氧化物酶活性极显著高于可育株。

3 展望

3.1 实用型温敏不育系育性转换温度的选择目标

育性转换临界温度的高低决定着两系法杂交水稻制种风险的大小。目前有些温敏型不育系的育性转换临界温度高于23.5℃，在制种时不育性波动的可能性大，而可育温度范围较宽，繁殖产量较高。从生产应用实际出发，只有育性转换临界温度较低，而可育温度范围较宽的不育系才能降低制种与繁殖的风险，具有较广泛的适应性。

决定水稻温敏型核不育系应用价值的是不育起点温度。从20世纪90年代中期起，我国育成了不育起点温度在23℃以下的水稻温敏型核不育系［39］，有效降低了制种风险。不育系不育起点温度越低，可以进行杂交制种的温度范围越大，杂交制种越安全。但是不育起点温度降低，由于不育起点温度与生理不育下限温度之间的可育温度范围变窄，繁殖种子就会很困难。要提高这类不育系的可繁性，必须增强不育系在可育温度范围内的可育敏感程度。陈良碧等［40］选育水稻温敏核不育系“双低S”的方法为解决这个问题提供了参考。相反，决定反温敏型核不育系的应用价值是导致可育的起点温度。不育系的可育起点温度越高，杂交制种越安全，但是不育系的繁殖越困难。目前已选育的反温敏型水稻核不育系，由于可育起点温度较低，如go543S，可育起点温度约为29.5℃，在适宜水稻生产播种季节播种，育性敏感期容易遇上高于29.5℃的天气条件而造成不育性波动，因而生产利用价值有限。

3.2 实用型温敏不育系育性转换温度的选择

光温敏核不育系育性转换临界温度的高低，决定利用光温敏核不育系制种的成败。因此研究育性转换临界温度是选育光温敏核不育系的必要环节。可育临界温度的鉴定需要模拟盛夏自然条件下的低温天气。由于盛夏低温天气出现的时间具有不确定性，为了能够使不育系育性敏感期与盛夏低温天气相遇，人们通常采用分期播种，利用花粉镜检以及考查自交结实率等方法考查自然播期条件下的育性表现，并结合试验地附近的气象资料推测温敏不育系育性转换的温度敏感期和临界温度［41～43］。温敏核不育系育性转换临界温度也可以利用低纬度高海拔地区不同海拔高度的自然条件进行鉴定［44～46］。当然，也常用人工气候箱和冷水池等模拟自然条件下的低温条件对温敏不育系进行鉴定［47～49］。笔者认为，与利用自然条件鉴定相比，人工控制条件下的鉴定具有可操作性强，可重复性好，鉴定结果更为精确的优点。但是，人工控制的条件与自然条件存在一定差异，二者可结合进行。

目前对水稻温敏核不育系育性转换临界温度及温度敏感期的研究很多，而对水稻温敏核不育系在育性转换临界温度下的低温生理不育性的研究较少。对低温转向可育的温敏核不育系而言，在其可育起点温度与生理不育下限温度之间的可育温度范围内的育性变化尚未有人研究。笔者认为，温敏核不育系在其可育温度范围内的育性变化是一个逐渐变化的过程:即在可育温度范围内随着温度的降低，不育系的可育性逐渐提高，当温度下降到某个点时，不育系的可育性达到最大值，然后再随着温度的继续降低，不育系的可育性又开始逐渐下降，当温度降到生理不育下限温度时，不育系的可育性降至最低。因此，对光温敏核不育系选育而言，其育性转换临界温度要尽量低至一定限度，以保证两系杂交水稻制种的安全，同时也要求不育系在育性转换临界温度之下的可育温度在适宜水稻自交结实种子的范围。由此可见，对新选育的光温敏核不育系，要鉴定其可育温度范围内育性变化情况，研究造成生理不育的上限温度与下限温度，寻找出不育系繁殖产量最高的最适可育温度，对不育系繁殖温度确定、繁殖基地选择、不育系繁殖产量估计具有十分重要的意义。

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