水稻籼粳杂交产生两系核不育株的初步研究

吕锐玲+蔡星星+周强+张盛+李兴华+王欢

摘要：在水稻（Oryza sativa L.）两系核不育研究过程中，用S1325（母本，籼粳杂交偏籼材料）与9663-1（父本，粳型材料）杂交，在其杂交后代F4中出现不育株，不育株花粉镜检为典败、套袋自交结实率为0，与同株系可育株杂交，其F1可育株与不育株出现1∶1分离，与三系保持系杂交，其F1结实正常，结实性表现完全恢复，不育株再生苗经21 ℃冷水处理，其花粉育性恢复正常并可正常结实，由此确定该不育株为两系不育株；又对双亲及其后代不育株进行6 K水稻全基因组芯片分析，排除不育株是来自外来花粉串粉的可能性，由此推测籼粳杂交后代可以产生新的两系核不育株。这是关于籼粳杂交可以创造新两系不育系的首次报道。

关键词：水稻（Oryza sativa L.）；两系核不育；籼粳杂交；基因芯片

中图分类号：S334.3；S511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）14-2610-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.14.003

Abstract： We crossed indica-clinous S1325 as female parent with japonica rice 9663-1. At F4 generation， many sterile plants were found，whose pollens were abortive，and seed setting rates were close to 0. When three sterile plants crossed with three fertile plants，the ratio of fertile plant with sterile plant is 1∶1 at F1 generation. When crossed with maintainer of three lines hybrid rice，the sterility of F1 generation was normal. When treated under the condition of 21 ℃ cold water，the sterility of regenerated young plants returned to normal. Thus，it was confirmed that these sterile plants were photo-thermo sensitive sterile lines. Rice genome 6K-microarray analysis was carried out on both parents and their generations and eliminated the possibility of foreign pollination. So a conclusion could be inferred that indica-japonica hybriding could produce new photo-thermo sensitive sterile lines. This is the first report about obtaining photo-thermo sensitive sterile lines by indica-japonica hybriding.

Key words： rice（Oryza sativa L.）； genic male steriie of two-line； indica-japonica hybriding； gene microarray

水稻（Oryza sativa L.）两系不育系（农垦58S）自1973年由石明松[1-3]在粳稻品种农垦58中发现后的几十年间，中国的两系杂交稻快速发展。据国家水稻数据中心的信息显示，在2009-2011年，杂交水稻每年推广面积排在前十名的品种中两系的品种有5个，连续3年推广面积居前三名的都是两系杂交稻[4]。到2012年，杂交稻年推广面积前十名的品种中两系品种上升到6个，已经超过了三系杂交稻[4]。目前两系杂交稻已经成为中国水稻生产中不可或缺的类型，在保障粮食安全生产中发挥着重要作用[5]。现在生产上应用的两系核不育系主要是由农垦58S衍生出来的实用两系不育系。另外，1987年邓华凤在籼稻三交组合后代中也发现籼型两系核不育株并育成安农1S[6]，后来还有研究者发现的株1S[7]和贺S[8]等两系不育系，在生产上也有应用。据文献记载[5]目前已知两系不育系产生的来源大致有①自然突变。农垦58S和贺S都是从水稻品种中发现的自然突变株经过选育而成；②杂交与复交。安农S是在40/H285//6209-3的F3中发现的自然不育株；③远缘杂交。衡农S[9]和长S[10]都是通过野生稻作为亲本之一选育获得的两系不育系。但自然突变株是否是田间串粉引起的、所串的花粉来源是什么以及远缘杂交种的野生稻又是哪种类型的种质，文献记载的都不清楚，而对于两系不育系究竟是怎么产生的这个问题又鲜有研究。笔者近几年研究发现籼粳杂交后代可产生不育株，这些不育株在低温下孕穗转为可育株，高温下又表现不育特性。这些不育株完全符合两系不育系的定义，所以笔者推测籼粳杂交可以产生或创造新的两系不育系资源。

1 材料与方法

1.1 亲本来源

母本：K4806（引自宁波市农业科学研究院，甬优6号的父本。）为籼粳杂交偏籼材料，无色稃尖；父本：9663-1为粳型材料，紫色稃尖，均为育性正常材料。

2013年湖北S1325（S1325为田间自编号，就是K4806）与9663-1杂交，同年海南种F1（编号13H1104），收单株留种；2014年湖北种F2（编号14Y2039），收单株留种，同年海南种F3（编号14H3001），收单株留种；2015年湖北种F4（编号15Y4002），选不育單株镜检、割蔸，再生苗低温处理，单株收种，2015年海南种F5（15HA71）；2016年湖北种F6（编号16YA40）。

1.2 不育株育性观察

笔者于2015年7-8月在黄冈市农业科学院试验田里发现籼粳杂交组合S1325/9663-1F4代材料15Y4002（共50株）有12株表现不育。对这些不育株的花药进行KI染色，显微镜下观察花粉育性。同时对不育株套袋自交，20 d后（即8月7日）观察结实率。将不育株割蔸再生分蘖，待幼穗分化4期移入21 ℃冷水池中处理，10 d后移出，抽穗时镜检，后期统计结实率。

1.3 不育基因的育性类型检测

首先，调查F4代15Y4002中可育株与不育株的分离比例；其次，用15Y4002株系中的3个可育株与3个不育株杂交，调查F1可育株与不育株比例；第三，用3个不育株与3个三系野败保持系即15YEA14、15YEA58和15YEA94（这3个保持系均为温229/巨风B后代）杂交，跟踪调查F1代不育株与可育株的分离比例。

1.4 不育株和可育株与其父母本多态性检测

16YA40表现为不育，16YA44（另一个籼粳杂交后代株系）表现为可育，它们的农艺性状介于双亲之间。为了排除田间花粉漂移导致的自然杂交，我们将16YA40、16YA44、S1325及9663-1的叶片取样送往中国种子集团武汉生命科学中心进行6K基因组芯片分析。

2 结果与分析

2.1 不育株育性观察

不育株表现为包颈，花药瘦小呈无色透明状，镜检有少量典败类型花粉。对15Y4002的12个不育株进行套袋自交，20多天后（即8月7日）观察发现所有不育株自交结实率为0。

原始不育株割蔸后再生，在幼穗分化4期时（8月17日）移入21 ℃冷水池中处理10 d后移出，9月3日镜检已经抽穗的再生穗并整株套袋，镜检结果显示花粉粒淀粉充实可染，套袋自交结实正常，表明该不育株为两系核不育株。

2.2 不育基因的不育类型检测

因2015年种植F4群体过小，于是2016年在黄冈再次种植14Y4002（冷库留存种子）179株，其中可育株140株，不育株39株，卡方检验结果为0.82，符合3∶1分离比，说明不育性状受一对隐形基因控制。

观察2015年海南种植F1代的育性，研究发现，3个不育株与3个可育株杂交均表现10株可育和10株不育，比例为1∶1，表明该不育株不育性状受一对隐性基因控制，其中不育株早抽穗部分可育但再生穗不育，结合气象因素分析，原因很可能是先抽穗的在孕穗期遇到低温而表现为可育，后抽穗的分蘖孕穗期温度较高转为不育，这符合两系核不育系的特性。

3个不育株与3个三系保持系杂交均结实正常为可育，初步表明不育性状是受隐性核基因控制的。不育株再生穗经21 ℃冷水处理后收的种子继续在海南种植早抽穗可以正常结实，迟抽穗表现花粉出现败育现象，也是符合两系不育系的特性。

2.3 籼粳杂交后代与父母本亲缘关系检测

16YA40和16YA44的芯片结果显示，该芯片共检测4 473个有效标记，较均匀地分布于12条染色体。其中1 869个标记在双亲间存在多态性，两个籼粳杂交后代材料的检测结果都没有发现异于两个亲本的染色体片段（图1、图2）。

3 讨论

对于籼粳杂交后代出现两系核不育现象，笔者认为造成这种现象的出现有3种可能：①籼粳杂交可以产生两系核不育现象。籼稻亚种和粳稻亚种之间存在生殖隔离，籼粳杂交后代产生不育株作为一种常见现象被大家所接受，20世纪70-90年代，中国有研究者对籼粳杂交产生的三系不育株进行了研究，并由此选育出了一系列的三系不育系，如黎明A、农虎26A、秋光A、黄金A等籼粳杂交偏籼类型的不育系[11，12]。其中云南农业大学稻麦研究所选育的滇一型“红帽缨”不育系[13]和四川省农业科学院水稻高粱研究所选育的K型不育系[14，15]都转育出了系列的衍生不育系，并且利用这些衍生不育系配出的很多组合都通过了当地的区试审定，应用的范围比较广。此外在20世纪80年代研究者们还选育出籼粳杂交偏粳类型的不育系[12]。但是对籼粳杂交能否产生两系核不育株以及对籼粳杂交所产生的两系核不育株的研究却没有。②籼粳杂交组合F1代或F2代与外来的带有两系核不育基因的花粉串粉导致F4代分离出不育株。③在收获种子及种植等环节出现了机械混杂现象。从出现不育株株系的性状表现来看，它们与其他可育株系也比较接近，与双亲性状均有相似性，而且分离也不是很大，基本可以排除②（如果是这种可能性，15Y4001就相当于F3或F2代，分离是很大的）或③这两种可能性。同时，利用基因芯片检测了子代和亲本之间的多态性，没有检测到15Y4001后代中分離出的不育株和可育株携带有除双亲之外的基因位点。这就完全排除了②和③的可能性，由此推测出籼粳杂交可以产生两系核不育现象这一结论。

虽然现在可以推测出籼粳杂交可以产生两系核不育株，但籼粳产生两系核不育株的机理是什么，是由哪些基因发挥作用的以及不育基因与现有两系不育基因是否等位遗传等还需进一步研究。另外，既然籼粳杂交可以产生两系核不育株，那么，籼籼交、粳粳交能否也能产生两系核不育株，这些都值得进一步进行深入研究。

参考文献：

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