一种普通小麦细胞质雄性不育系的鉴定及恢保关系研究

柴军琳，孙阳阳，贾小平，姚俊卫，王黎明，董普辉

(河南科技大学农学院，河南洛阳 471003)



一种普通小麦细胞质雄性不育系的鉴定及恢保关系研究

柴军琳，孙阳阳，贾小平，姚俊卫，王黎明，董普辉

(河南科技大学农学院，河南洛阳 471003)

07(131)A是从普通小麦高代优良品系07(131)中发现的自然突变雄性不育材料。为了解其在生产上的应用潜力，对其雄性败育特点、不育类型和恢保关系进行了研究。结果表明，07(131)A开花期花药干瘪、不外露、不开裂，花粉粒I2-KI染色表现为染败，带有少量可育花粉。育性正常的07(131)与07(131)A原始不育株杂交，F1表现为不育，再以07(131)单株成对回交，后代还可保持高度不育，表明07(131)A属细胞质雄性不育突变体。对07(131)A与52份不同来源普通小麦品种(系)配制的测交F1组合进行育性调查，筛选出保持高不育的材料4份；保持半不育的材料15份；具有恢复能力的材料33份，其中，高恢复材料30份，完全恢复材料3份。说明在普通小麦品种(系)中存在着07(131)A的保持系和广泛的恢复源。07(131)A在小麦“三系法”杂交育种上具有一定的应用前景。

普通小麦；细胞质雄性不育；育性鉴定；恢保关系

植物细胞质雄性不育(Cytoplasmic male sterility, CMS)是高等植物中普遍存在的一种现象，常表现为由雄蕊退化、花粉败育或功能不全等引起的雄蕊不能正常授粉而雌蕊功能正常，其产生为杂种优势利用及高等植物细胞质遗传研究提供了理想材料。与已取得良好经济效益和社会效益的杂交水稻、杂交玉米优势研究一样，小麦杂种优势利用研究也将是国内外有效提高小麦产量、改善品质和增强抗性的主要途径[1-2]。

自20世纪50年代以来，遗传育种学家对小麦CMS进行了大量研究，1962年Wilson和Ross育成T型不育系并首次实现了三系配套[3-5]。随后，科研人员在小麦CMS新资源方面不断开拓，在改良T型不育系的同时，又培育出了K型、V型、Q型、黔型、D2型等一批新型异源细胞质雄性不育系[1, 5]。目前，在小麦CMS方面虽然发现了多种不育类型，但很少能被广泛推广应用，主要原因是多数不育类型完全恢复较难，杂种优势不明显。就小麦CMS的利用而言，能否有恢复力强的恢复系是关系到广泛应用的关键。因此，育种工作者在通过多种途径研究CMS作用机理的同时，也在寻找新的恢复源和保持源[6-10]。有些学者认为利用普通小麦变种或品种之间胞质上的某些差异，如果育成具有普通小麦细胞质的CMS，就可能在普通小麦中找到较多的恢复系。基于这种思路，科研人员采用各种方法先后育成了P型[11-12]、AL型[13]、85EA[14]、F型[15]等普通小麦细胞质不育系。

本课题组在普通小麦高代优良品系07(131)中发现了一个自然突变的雄性不育材料，且初步推断为CMS，本研究拟对其雄性败育特点、不育类型和恢保关系进行研究，以期为在小麦“三系法”杂交育种上的利用提供参考。

1　材料与方法

试验于2013-2015年在河南科技大学周山试验田进行，管理同大田。

1.1供试材料

2013年4月本课题组在自选普通小麦高代优良品系07(131)中发现1株自然突变的雄性不育株，穗子蓬松、花药不外露，其他性状与07(131)无明显差异，于是立即以育性正常的07(131)为父本与其授粉，得到杂交种子。同年10月秋播，共成苗120株。2014年4月田间育性调查发现，杂交后代中除了6株性状不同的可育株(疑为串粉所致)外，其余全部为不育株，表明该不育性状可以遗传。初步推测该雄性不育突变材料为CMS，将其暂命名为07(131)A。

用于育性测交的52份不同来源普通小麦品种(系)，以黄淮麦区品种为主，还有农家种、自育高代品系、国外引进品种等，具体见表2。

1.2试验方法

1.2.1花粉育性检测

2014年4月，小麦扬花期取07(131)A和07(131)的成熟花药，用1%的I2-KI溶液染色制片，在显微镜下观察花粉粒的形态和染色反应，根据染色结果判断花粉粒育性。

1.2.2组合配制与种植

2014年4月，随机选取5个07(131)单株为父本，分别与07(131)A成对回交；同时以52份普通小麦品种(系)为父本，分别与07(131)A进行育性测交。成熟期收获所有杂交种子。2014年10月，将以上各F1组合及对应父本分别种植在行长2.4 m的同一行内，F1和父本各占半行，以备不育系的回交转育。

1.2.3育性调查与分级

2015年4月对各F1组合在开花前分别随机取10穗套袋自交，灌浆后期调查自交结实籽粒数。育性调查采用国内法，自交结实率计算公式如下：

自交结实率(%)=[小穗基部小花结实总数/(有效小穗数×2)]×100

根据平均自交结实率将育性分为5级[16]，即全不育(0)、高不育(1%～20%)、半不育(21%～50%)、高育(51%～80%)和全育(81%～100%)。

1.3数据分析

采用Microsoft excel 2003和DPS 7.05软件进行数据处理分析。采用Duncan新复极差法进行差异显著性多重比较。

2　结果与分析

2.107(131)A的雄性败育特点

扬花期田间观察发现，07(131)A的穗子蓬松，颖壳开张角度大，花药不外露；而07(131)的花药外露，颖壳闭合良好。比较二者的花药外部形态，07(131)A花药比较瘦小、干瘪，绝大多数不开裂(图1A)；07(131) 花药饱满，发育良好，正常开裂散粉(图1B)。花粉粒I2-KI染色镜检发现，07(131)A花粉量少，花粉粒圆形，着色较浅，表现为染败，带有少量着色深的正常花粉，表明败育时期较晚，败育不彻底(图1C)；07(131)花粉粒饱满，着色深，表现为育性正常(图1D)。综上所述，07(131)A属花药不开裂的染败型小麦雄性不育材料。

图1　07(131)A(A和C)和07(131)(B和D)的花药形态及花粉I2-KI染色结果

2.207(131)A不育类型的确定

07(131)与07(131)A原始不育株的杂交F1代表现为不育，再以07(131)单株成对回交，回交后代还可保持高度不育(表1)，说明07(131)是07(131)A的保持系，07(131)A属细胞质雄性不育突变体。

由表1还可以看出，第2株行与其余4个株行在平均结实率上存在极显著差异，其余4个株行之间差异不显著。第3株行平均结实率明显较低，变幅和标准差也较小。表明通过成对回交法可以对07(131)A的育性进行有效提纯与改良。

2.3测交F1的育性分级及恢保关系

对07(131)A与52份不同来源普通小麦品种(系)配制的测交F1组合按平均结实率进行育性分级，结果(表2)表明，不同父本材料配制的F1组合育性差异很大。保持高不育的组合有4个，占供试组合的7.7%，其中07(131)A/新麦2111的平均结实率仅为1.2%，变幅和标准差也最小，说明新麦2111对07(131)A的不育性具有高度保持能力。其他3个高不育组合的平均结实率较高，依次为15.7%、17.8%和18.2%，F1以全不育株或高不育株为主，含有少量的半不育株。07(131)A/新麦21组合出现了高育单株，这可能与相应父本的育性相关基因尚未纯合有关。以这4个高不育组合中的全不育株或高不育株为母本，与相应的父本成对回交，有可能育成新的不育系。育性表现为半不育的组合有15个，占供试组合的28.8%，这些组合的父本对于07(131)A来说利用难度较大。育性表现为可育的组合有33个，其中高育组合30个，全育组合3个，分别占供试组合的57.7%和5.8%，说明这些组合的父本带有07(131)A的恢复基因。3个全育F1组合的平均自交结实率都是稍超过80%，依次为81.6%、82.5%和83.4%，F1以全育株为主，并带有少量高育株，07(131)A/06CF-25组合中出现了半不育株。

表1　07(131)与07(131)A的5个成对回交后代株行的育性表现

平均值后的大、小写字母分别表示在1%和5%水平上差异显著。

Capital and small letters after the average column represent significant difference at 1% and 5% levels, respectively.

表2　52份普通小麦品种(系)与07(131)A测交F1的育性分布

3　讨 论

到目前为止，发现的小麦CMS材料总数多达70种，但大都因为细胞质的副作用较大而难以用于杂种小麦生产[1, 5]。研究表明，异质小麦CMS往往会出现各种各样的困难和问题，如：T型不育系存在着恢复源少、易穗上发芽、籽粒皱缩且育性容易被环境影响等问题[1, 5, 17]；K型不育系恢复度不高，变异较大，不育系及其所组配的杂交小麦都有一定频率的单倍体产生，苗期生长势弱等细胞质负效应[8-9, 18]。除了针对已有材料的不足进一步改良外，我国又培育出了一些普通小麦CMS材料。这些不育系在一定程度上克服了不良的细胞质效应，但育性并非都容易恢复，如P型和AL型不育系，虽然没有明显的不良细胞质效应，但仍然存在育性较难恢复的问题[11-13]。本研究的不育材料07(131)A是由从普通小麦高代优良品系07(131)中发现的自然突变雄性不育株衍生而来，07(131)是其保持系，因此07(131)A雄性不育是由07(131)细胞质内育性相关基因突变引起的。07(131)是本课题组由太谷核不育(Tal)小麦轮选群体中的优良可育株连续多代自交选育而成，所以07(131)的细胞质背景与Tal小麦细胞质一致，属于普通小麦细胞质。07(131)A不育系的发现在一定程度上丰富了普通小麦CMS材料的遗传基础。

对于一种小麦CMS材料来说，选育出不育性稳定的不育系和强优恢复系在其生产应用上具有重要意义。比较不同类型CMS之间的恢保关系，可以为新的保持系和恢复系的选育提供参考。在普通栽培小麦中几乎没有T型不育系的恢复基因，因此T型不育系的保持系资源非常丰富，而恢复资源很少，只能从近缘物种中转移[19]。经研究，Q型、AL型和P型不育系的恢保关系与T型不育系基本一致，T型不育系的优良恢复系可以直接恢复这3种不育系[11-12, 20]。王岳光等[14]报道，T型不育系的恢复系对85EA和89AR有较好的恢复性。张改生等[16]以恢保关系将粘、易、偏型不育系归为粘类不育系，粘类不育系具有易保持、易恢复的特点，1B/1R类型小麦是其保持系，具有高恢复能力的品种(系)大都为非1B/1R易位系。本研究表明，在普通小麦品种(系)中存在着07(131)A的保持系和广泛的恢复源。对07(131)A具有高恢复能力的4个品种，周98165、周麦18、西农1376和小偃22，据分子检测属于1B/1R小麦[21-23]，因此07(131)A的恢保关系与粘类不育系是不同的。07(131)A比T型、Q型、AL型和P型不育系恢复源广泛，恢保关系与之显然不同。F型小麦不育系花粉败育包括圆败、典败和染败类型，但以染败型为主[15]。07(131)A花粉败育时期较晚，表现为染败，并带有少量正常花粉。07(131)A与F型小麦不育系的恢保关系是否相似尚有待研究。

[1]张爱民,黄铁城.小麦杂种优势利用途径与研究进展[J].作物杂志,1996(5):16-20.

ZHANG A M,HUANG T C.Utilization and progress of heterosis in wheat [J].Grops,1996(5):16-20.

[2]茹振钢,冯素伟,李 淦.黄淮麦区小麦品种的高产潜力与实现途径[J].中国农业科学,2015,48(17):3388-3393.

RU Z G,FENG S W,LI G.High-yield potential and effective ways of wheat in Yellow & Huai River valley facultative winter wheat region [J].ScientiaAgriculturaSinica,2015,48(17):3388-3393.

[3]KIHARA H.Substitution of nucleus and its effects on genome manifestations [J].Cytologia,1951,16(2):177-193.

[4]WILSON J A,ROSS W M.Male sterility interaction of theTriticumaestivumnucleus andTriticumtimopheevicytoplasm [J].WheatInformationService,1962,14:29-30.

[5]鲁 成.小麦细胞质雄性不育的研究进展[J].陕西农业科学,2009,55(3):69-73.

LU C.Researches on the cytoplasmic male sterility of wheat [J].ShaanxiJournalofAgriculturalSciences,2009,55(3):69-73.

[6]巴青松,张改生,李桂萍,等.小麦线粒体与细胞质雄性不育关系的研究进展[J].麦类作物学报,2015,35(1):16-21.

BA Q S,ZHANG G S,LI G P,etal.Research advances on the relationship between mitochondrion and cytoplasmic male sterility in wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(1):16-21.

[7]黄海泉,赵晔萍,荣德福.T型小麦细胞质雄性不育系、保持系、恢复系胚根及其叶片蛋白质组中的差异蛋白分析[J].湖南农业科学,2011(19):5-7.

HUANG H Q,ZHAO Y P,RONG D F.Analysis of differential proteins in proteome of radicle and leaf from T-type cytoplasmic male sterility line of wheat and its maintainer line and restorer line [J].HunanAgriculturalScience,2011(19):5-7.

[8]詹克慧.小麦K型细胞质雄性不育系育性恢复机理的研究 [D].郑州：河南农业大学,2006:11-16.

ZHAN K H.The mechanism of fertility restoration for male sterile lines withAe.kotschycytoplasm in wheat [D].Zhengzhou:Henan Agricultural University,2006:11-16.

[9]刘保申,孙其信,高庆荣,等.K型小麦细胞质雄性不育系育性恢复基因的SSR分子标记分析[J].中国农业科学,2002,35(4):354-358.

LIU B S,SUN Q X,GAO Q R,etal.Mapping of fertility restoring gene forAegilopskotschycytoplasmic male sterility in wheat using SSR markers [J].ScientiaAgriculturaSinica,2002,35(4):354-358.

[10]姚 盟,叶佳丽,杨智全,等.5种细胞质雄性不育小麦败育的生物学特性及育性恢复[J].麦类作物学报,2015,35(12):1676-1684.

YAO M,YE J L,YANG Z Q,etal.Abortion feature and fertility restoration of five kinds of cytoplasmic male sterile wheat lines [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(12):1676-1684.

[11]孙兰珍,高庆荣,张延传,等.“普里美比”(Primepi)细胞质不育类型(P型)的研究[J].北京农业大学学报,1985,11(4):193-198.

SUN L Z,GAO Q R,ZHANG Y C,etal.Studys on Primepi cytoplasmic male sterility of wheat [J].ActaAgriculturaeUniversitatisPekinensis,1985,11(4):193-198.

[12]范 濂,王福亭,张汝斌.普通小麦Primepi细胞质雄性不育性的初步研究[J].中国农业科学,1986,19(1):54-59.

FAN L,WANG F T,ZHANG R B.A preliminary study on the Primepi cytoplasmic male sterility of common wheat [J].ScientiaAgriculturaSinica,1986,19(1):54-59.

[13]王世杰,茹振刚.AL型小麦三系的选育及其利用价值[J].河南农业科学,1991(2):1-4.

WANG S J,RU Z G.Breeding and utilization of AL-type three-lines of wheat [J].HenanAgriculturalSciences,1991(2):1-4.

[14]王岳光,王琳清,施巾帼,等.小麦辐射雄性不育系85EA和89AR的育性及杂种优势[J].麦类作物学报,2002,22(1):23-26.

WANG Y G,WANG L Q,SHI J G,etal.Studies on fertility and heterosis of wheat cytoplasmic male sterile lines 85EA and 89AR induced by radiation [J].JournalofTriticeaeCrops,2002,22(1):23-26.

[15]赵 卜,柴守诚,郑炜君,等.F型小麦雄性不育系小孢子发育的细胞学观察[J].麦类作物学报,2015,35(7):918-925.

ZHAO B,CHAI S C,ZHENG W J,etal.Cytological observation on meiosis and development of microspores in F-type male sterile wheat line [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(7):918-925.

[16]郭艳萍,程海刚,张改生,等.粘类小麦CMS育性基因分布区研究[J].麦类作物学报,2011,31(6):1007-1013.

GUO Y P,CHENG H G,ZHANG G S,etal.Studies on distribution of fertility genes for male sterile lines withAegilopscytoplasm in wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2011,31(6):1007-1013.

[17]杨春玲,郭瑞林,关 立,等.我国小麦杂种优势利用现状及存在的问题[J].河南农业科学,2002(9):14-15.

YANG C L,GUO R L,GUAN L,etal.Current status and problems of wheat heterosis utilization in China [J].JournalofHenanAgriculturalSciences,2002(9):14-15.

[18]马翎健,陈亚鹏,宋喜悦,等.T.spelta1BS染色体对K型小麦不育系及保持系的效应研究[J].西北农业学报,2006,15(5):25-28.

MA L J,CHEN Y P,SONG X Y,etal.Research on the effect ofT.spelta1BS chromosome to K wheat male-sterile lines and maintenance lines [J].ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica,2006,15(5):25-28.

[19]梁凤山,王 斌.小麦雄性不育遗传及基因定位研究进展[J].遗传,2003,25(4):461-465.

LIANG F S,WANG B.Heredity and gene mapping of male sterility in wheat [J].Hereditas,2003,25(4):461-465.

[20]蒋华仁.Q型、AL型和T型小麦雄性不育系恢保特性的比较研究[J].四川农业大学学报,2002,20(3):198-199.

JIANG H R.Comparison of restoring and maintaining characteristic among Q-,AL- and T-type wheat male sterile lines [J].JournalofSichuanAgriculturalUniversity,2002,20(3):198-199.

[21]王晓军,冯国华,刘东涛,等.黄淮麦区部分小麦品种(系)1BL/1RS易位的分子检测[J].麦类作物学报,2008,28(3):381-386.

WANG X J,FENG G H,LIU D T,etal.Molecular detection of 1BL/1RS translocation in partial wheat cultivars (lines) from Huang-Huai wheat region of China [J].JournalofTriticeaeCrops,2008,28(3):381-386.

[22]万映秀,张晓科,夏先春,等.多重PCR的建立及黄淮麦区主要品种品质相关基因的鉴定[J].中国农业科学,2008,41(3):643-653.

WAN Y X,ZHANG X K,XIA X C,etal.Development of multiplex PCR and identification of major quality genes in cultivars from Yellow and Huai river valley wheat region [J].ScientiaAgriculturaSinica,2008,41(3):643-653.

[23]马红勃,刘东涛,冯国华,等.部分小麦品种(系)品质相关基因的分子检测[J].麦类作物学报,2015,35(6):768-776.

MA H B,LIU D T,FENG G H,etal.Identification of major quality genes in some wheat cultivars from Yellow and Huai river valley wheat region [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(6):768-776.

Identification and Restoring-maintaining Relationship of a Cytoplasmic Male Sterile Line in Common Wheat

CHAI Junlin，SUN Yangyang，JIA Xiaoping，YAO Junwei，WANG Liming，DONG Puhui

(College of Agricultural,Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan 471003, China)

A spontaneous wheat male sterile mutant 07(131)A was discovered from the common wheat high-generation line 07(131). The male abortive characteristics, male sterility type and restoring-maintaining relationship of 07(131)A were studied. The results showed that anthers of 07(131)A were shriveled, no crack and no exposed on spike.I2-KI dyeing analysis of pollens showed abortion type, which contains a small amount of fertile pollens. The F1between 07(131) and the original sterile plant of 07(131)A were sterile, and five combinations obtained from pairwise backcrossing between 07(131)A and 07(131) individual plant were also highly sterile. Therefore, 07(131)A is a cytoplasmic male sterile mutant. Fertility of F1combinations which obtained by crossing 07(131)A with 52 common wheat varieties were investigated and classified. And the combination number of highly sterile, partly sterile, highly fertile and complete fertile were 4, 15, 30 and 3, respectively. This showed maintainer lines and extensive restorer lines were existed among common wheat varieties. 07(131)A could be used as a basic material for “three-line” hybrid wheat breeding.

Common wheat; Cytoplasmic male sterility; Fertility identification; Restoring-maintaining relationship

2016-03-29

2016-06-01

国家自然科学基金项目(U1304320；U1304318)；河南科技大学人才科学研究基金项目(09001162)

E-mail：junlinc0321@163.com

董普辉(E-mail: dongpuhui@sina.com)

S512.1；S330

A

1009-1041(2016)08-1003-05

网络出版时间：2016-08-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160801.1120.010.html