（作物遗传育种专业论文）小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光合特性及籽粒品质分析.pdf

y 9 0 3 8 9 7 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学 研究所取得的结果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出 重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责 任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的 规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交纸质 本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学 位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：叠起 导师签名： 日期： 孽鲜 山东农业大学硕士专业学位论文 捅芰 利用2 套同核异质的k 、v 、t 、c h a 型不育系及其保持系，对其不 同生长发育时期的光合特性及光合产物的积累进行分析研究，探讨不同小 麦雄性不育类型的胞质效应。并通过对不同类型细胞质雄性不育系、保持 系及其杂交种籽粒的醇溶蛋白和谷蛋白分别进行a p a g e 分析和梯度 s d s p a g e 电泳分析，以寻找与细胞质雄性不育基因表达有关的特异多肽 片段。结果如下： 1 在叶绿素含量上各c m s 不育系未表现出一致的负效应，c h a 不 育系药剂反应明显。叶绿素含量在各个材料中表现不同，k 、v 、t 型不 育系与保持系相差不大，c h a 型抽穗期的叶绿素含量为2 3 6 8 1 2 5 3 m g ，较k 、v 、t 型不育系及其保持系低o 6 6 8 1 ，7 1 9m g 幢，差异 显著，开花期后差距不断缩小，趋于一致； 2 叶绿素荧光参数方面，各不育系表现不一致。k 型不育系的r 帆 值大多保持在0 8 4 阱上，其他不育系及保持系多在o 7 7 o 8 4 之间，其 西p s l i 也相对较高，而t 型胞质类型的凡r 值相对要低，在孕穗期仅为 0 7 7 o8 0 6 ，后期有所增加，c h a 冀5 4 1 8 的啷s i i 值在孕穗期和开花期明 显低于其他类型不育系及其保持系，但灌浆期后有所回升，而其f v ，值 在孕穗期至开花期却处于较高水平； 3 净光合速率方面，k 、v 、t 型3 种c m s 不育表现出负效应，尤 其在灌浆后期差异显著。在抽穗期，k 型不育系的p 。值较低，t 型不育 系的p 。值下降幅度最大，在灌浆后期降到1 4 5 1 9 ，显著低于k 、v 型 的1 5 5 2 8 5 ，太9 1 1 2 8 9 c h a 型不育系的r 值较高，而冀5 4 1 8 c h a 不 育系p 。值较低； 4 蒸腾速率的变化与气孔导度一样没有一致的变化规律，且二者的 总体变化趋势相似。g s 仍是t 型不育系的变化幅度最大，在开花期后， 其g s 就处于大幅度下降状态，到灌浆后期降到了3 6 5 5 4 m m 0 1t m s ， 远远低于其他不育系。保持系的g s 与几种不育系相比，要稍高些，尤 其在灌浆期优势更为明显。两种保持系的蒸腾速率变化趋势差异较大，太 9 1 1 2 8 9 保持系呈持续上升趋势，而冀5 4 】8 保持系则在灌浆中期后显著下 降，而t 型不育系的蒸腾速率在灌浆中期后大幅度下降，c h a 型不育系 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光台特性及籽粒品质分析 抽穗后上升缓慢，可能是由于化学药剂的伤害所造成： 5 不同不育类型的光合产物积累存在一定差异，k 、v 、t 型3 种 不育系的千粒重为2 9 1 3 7 8 2 9 ，c h a 型不育系仅2 2 7 3 2 3 5 1 9 ，均 低于保持系，在淀粉和可溶性糖含量上也有类似的表现，但是c h a 型 不育系蛋白质含量为1 9 1 3 1 9 9 3 ，高于其他类型不育系o 5 8 3 0 8 ，保持系最低，仅1 5 4 7 1 5 3 8 ，说明c h a 造成的伤害对光合 产物积累造成的影响要大于胞质效应； 6 k 、v 、t 型细胞质对杂种小麦某些品质性状具有正向效应。其 中阻k 型细胞质效应较大，在多方面均表现正向杂种优势，超m p 2 0 8 1 6 8 2 ，与v 、t 、c h a 型相比有多个性状优势大小的差异达 到显著水平。母本基因型与细胞质具有交互作用，对杂种f l 代的性状 表现具有一定影响。对优势效应大的细胞质类型，选择敏感的母本基因 型配制杂种有利于提高品质。 7 不同基因型对细胞质的反应不同。冀5 4 1 8 不育系与其b 系在光 合速率及光合产物积累上的增减幅度小于太9 1 1 2 8 9 。在品质表现上，太 9 1 1 2 8 9 的平均效应值较高，为2 1 4 8 ，冀5 4 1 8 则较低，为5 0 5 ，相 差1 6 4 3 ，差异显著，说明太9 1 1 2 8 9 对胞质反应较冀5 4 18 敏感。 8 通过对不同类型不育系、保持系及其杂交种的籽粒进行a p a g e 电 泳分析发现，太9 1 1 2 8 9 不育系的电泳图谱与保持系相比在b 区缺失一条 谱带，但是在冀5 4 1 8 不育系的图谱中并未发现与保持系区别的谱带，这 与小麦醇溶蛋白基因表达的品种特异性有关；通过对杂交种图谱的分析发 现，杂交种图谱与其父本差异很大，与母本谱带十分相似，同时各不育类 型的杂交种间也存在一定差异，说明受细胞质的影响其表达具有很强的偏 母性。对各不育系及其保持系谷蛋白的梯度电泳分析并没有发现差异带， 各区的谱带基本一致，说明通过这种方法还不能找到不育系与保持系之间 的差异或者异源胞质的导入并未影响到原小麦的亚基组成，没有产生明显 的胞质负效应。 关键词：小麦( 乃- 打f c 。册口p s f f v “m l ) ；细胞质雄性不育系；光合特性；醇 溶蛋白：谷蛋白 山东农业大学硕士专业学位论文 a n a l y s i so fp h o t o 肿m e t i cc h a r a c 硎s t i c s a j l dq u a l 时c h a r a c t e r so f s e e d so fd i f r e r e mc ”o p l a s m i cm a l es t e r i l el i l l e s a n dm e i rh 1 加r i dw h e a t a b s t r a c t k ，v ，ta n dc h at y p ec y t o p l a s m i cm a l es t e r i l e1 i n e s a td i a e r e n t d e v e l o p m e m a ls t a g e sw e r ec o m p a r e dw i t hm e i rm a i n t a i n e r l i n e st os t l l d y t h ee 仃c c to fd i 行e r e n tc y t o p l a s m s t l l i se f f e c tm a yl e a dt ot l l et h i 衄e s so f s e e d sf r o mm a l es t e r i l ei i n e s t h e 印e c i a lp r o t e i nt h a t 、a sc o n c e m e d 、v i t h c ) 叶叩l 踟i cm a l es t e r i l 毋，a st 0b ef o l l n d e dt 1 1 1 o u 曲e l e c 仃叩h o r e s i sa 1 1 a l y s i s o fg l i a d i n sa n dg l u t e n 洫i ns e e d so fd i 丘b r e mt y p e sc y t o p l a s i i l i cm a l es t e r i l e w h e a t ，m a i l 】伯j 1 1 e rl i n e sa 1 1 dt l l e i rh y b r i dw h e a t t h em a i nr e s u l t s w e r ea s f o l l o w s ： 1 t h ec h l o r o p h y l lc o n t e n t s ( t a b l e1 ) w e r en os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e s b e t w e e nk ，v ，t _ m a l es t e r i l el i n e sa n dt h e i rm a i m a i n e rl i n e s ，w h i l et h e c h l o r o p h y 儿c o n t e n t o fc h a s t e r i l el i n e sa tb o o t i n gs t a g e ( 2 3 6 8 1 2 5 3 m g ) w a ss i g i l i f i c a n t l yl c s s 戗l a nt h a to fo t l l e rm a l es t e r i l e1 i n 9 sa n d t h e i rm a i n t a i n e r1 i n e s ( 0 6 6 8 1 7 1 9m g 倌) ，a n dt h ed i 行色r e n c e sd e c r e a s e d a f t e ra n t h e s i s 2 n e g a t i v ee f 诧c t sw e r en o ts h o w e do nn u o r e s c e n c ep a r a m e t e r t h e r 晶lv “u e so fk s t e r i l el i n et h o s ew e r em o r et h a no 8 4a i l dh i 曲e r t h a i l t h o s e o ft h eo t h e rs t e r i l e1 i n e s ，a n dm a i n t a i n e ri i n e s ，e s p e c i a l l ya r e r a n m e s i s t h es a m et r e n dw a sf o u n da m o n gt h e 驴p s v a l u e s c o m p a r e d w i t ht h eo t h e rm a l es t e r i l el i n e s ，t - m a l es t e r i l el i n e sh a dl o w e rf v f v a l u e sw h i c hw e r eo 7 7 一o 8 0 6a tb o o t i n gs t a g e ，a l t h o u g ht h ev a l u e s i n c r e a s e d1 a t e r 3 t h en e g a t i v ee f f 色c t sw e r em a i n l ym a i l i f c s t e do nn e tp h o t o s y n t h e t i c r a t e ( p n ) t h ep nv a l u e so fm a i n t a i n e r l i n e sw e r em o s t l yh i g h e rm a n t h o s e o f m a l es t e r i i el i n e s t h ep nv a l u e so fk - m a l es t e r i l e1 i n e sw e r et h el o w e s t 3 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光台特性及籽粒品质分析 a t h e a d i n gs t a g e ，t 1 1 0 s e o fb s t e r i l el i l l e sd e c r e a s e dt o 1 4 5 1 9 肚m o l c 0 2 一s qd 面n gl a t c i 。f i i i 啦s t a g e ，s i g n i f i c 删yi o w e rm a i lm eo 也e r s t h e 户n o ft a i9 1 1 2 8 9c h a s t e r i l el i n e sw a sl l i 吐【c rt h a nt l l a to fo t h e rm a l es t e r i l e 1 i n e s ，w m l et h a to f j i5 4 18c h a s t e 蝴e1 i n e sl o w e rr e l a t i v e l y 4 t h eg 。a n deo fd i r e mm a l es t e r i l e1 i 1 1 e sa 1 1 dt 1 1 e i rm a i n t a i n e rl i n e s h a v en os 啪ed y n 砌i c s go ft - s t c i i l e1 i n e sd e c r e a s e dt o3 6 5 5 4 m m o l 一s “d u 咖gl a t e r 鄙h gs t a g e ，s i 卿五c a n t l yl o w e rt h a l lm eo m e r s t h eg sv a l u eo fm a i l l t a i n e rl i n e sw a s 岫出e rl h a l l 。s t e r i l el i n e se s p e c i a l l ya t f i l l i n gs t a g e 1 1 1 ev a r i a t i o no few a sd i 虢r e n tb c t w e e n 铆om a t e r i a l se s p e c i a l i y 柳om a i l l t a i n e rl i n e s t h eeo fv - s t e r i l el i n ed e c r e a s e da f c e rh e a d i n gs t a g e ， w l l i l e 缸c r e a s e da r e r 锄t 1 1 e s i s t h a to ft s t e r i l el i n ed e c r e a s e ds o o na r e r r n i d f u i l i n gs t a g e t h a to fc h a s t e r i l el i n 最i n c r e a s e d1 0 w l yf o rn l eh a r n l 的m c h a 一 5 t h o u s a n d g r a i nw e i g h to f k ，v ，m a l es t e r 订e1 i n e sw a s2 9 1 3 7 8 2 9 a n dt h a to fc h a s t e r i l el i n e2 2 7 3 2 3 5 1 9w m c hw e r em u c h1 0 w e rm a i l 也a t o f m a i n t a i n e ri i n e s t h es t a r c hc o n t e n ta n ds o l u b l es u g a rc o n t e n to fs e e d sf 曲m m a i n t a m e rl i n e sw e r ea l s oh 追h e rm a nt h o 辨o fs t e m el i n e s p r o t e i nc o m e n to f c h a s t e r i l e1 i n ew a s1 9 1 3 一1 9 9 3 。o 5 8 一3 0 8 h i 曲e rt h 趾t h a to f o t h e rs t e r i l e m a to fm a i n t a i n e r1 i n e sw a s1 5 4 7 - 1 5 3 8 1 0 w e rt h a nt h e o m e r s t h ei n n u e n c e so fd 锄a g eb yc h aw e r em o r et h a i lt h a to fn e g a t i v e e f f e c t sf r o md i f f b r e n tc v t o d l a s m s 6 k ，v ，t - c ”o p l a s mh a sp o s m e i 士1 n u e n c eo ns o m eq u a i 时c h a r a c t e r s a n dt 1 1 ee f 琵c to fk c y t o p l a s mw a ss i 营h m c a n t m a n ys i g n i f i c a n tp o s i t i v e h e t e r o s i sw e r eo b s e n ，e do nk c ) ，t o p l a s mh y b 订d ，2 0 8 1 6 8 2 h j 曲e rt h a l l m i d p a r e m c o m p a r e dw i 也t ，va 1 1 dc h a c ”0 p l a s m i ch y b r i dw h e a t ， s o m e q u a l i t yc h a r a c t e r so fk t y p eh y b r i di ss i g n i f i c a n tb e t t e lt h e r ew e r ei n t e r a c t i o n e f r e c tb e t w e e nf e m a l ep a r e n tg e n o t y p ea i l dc y t 叩1 a s m i t sb e t t e rt oi m p r o v eq u a l i t y s e l e c t i n gs e n s i t i v ef e m a l ep a r e n tg 。n o 帅e 、bp a r e n t s 谢h e nh y b r i dw h e a tw e f e m a d ef o rc y t o p l a s m i ct y p ew i t hs i g i l i f i c a n th e t e r o s i se 髓c t 7 p e r f b h n a n c eo fj i 5 4 1 8m a l es t e m e1 i n e so np h o t o s y n t h e s i sr a t ea n d 4 山东农业大学硕士专业学位论文 a c c 啪u l a t i o no f p h o t o s y n 廿埘t cw a s s u p e r i o rt ot t l a to f 碱9 1 1 2 8 9s t c r i l el i n e s t h ea v e r a g ee 髋c to ft a i 9 1 1 2 8 9o nq u a l i t yc h a r a c t e r sw a s2 1 4 8 ，1 6 4 3 1 l i 曲e rt h a i lt h a to fj i 5 4 l8w h i c hi n d i c a t e dm a l1 面9 1 12 8 9w a sm o r es e n s i t i v e t h a l lj i 5 4 1 8t oc y t o p l a s m 8 d i 丘b r e n c e sw e r ef o u r i d e db e t w e e n 也ed a t t c mo f1 菌9 1 1 2 8 9m a l e s t e r i l i t ya 1 1 di t sm a i n t a i n e rl i n e s t h e r ei sas p e c i a lb a n di 1 1b s e c t i o no ft 1 1 e p a t t e mo fm a i n t a i n e rl i n e s b u t “sd i 位r e n c ew a sn o tf o u n d e di t 1 1 ep 甜e m o fj i5 418m a i es t e r i l i t ya n di 招m a i n t a i n e rl i l l e s t h er e s u l ts h o w e dm a tm e d i 丘b r e n c e sb e 晰e e nm a l es t e r i l i 臼a n dt h e i rm a i n t a i n e rl i n e sw e r ed e p e n d e m o nt h ec u l t i va r w ec a l la l s of o u n dt 1 1 a t 也e r ea r eg r e a td i 能r e n c e sb e t w e e nt l l e p a n e m o fh y b r i dw h e a ta n dt h a to ft l l e i rm a l ep a r e n t t h e r cw a sn od i f 配r e n c e i nt h cp a t t e mo fg l u t e 血i ti n d i c a t e dt l l a tt h e 岫e c t i n go fh e t e r o g e n o u s c v t o p l a s md i dn o tl e a dt o 协ev a r i a n o n o fs u b 砌t sc o m p o s i t i o n k e yw o r d s ：w h e a t ( 打谢c 珑口巧f 如口l ) ；c y t o p l a s m i cm a l es t e r i l e l i n c s ；p h o t o s y n t h e t i cc h a r a c t e r i s t i c s ；g i i a d i n s ；g l u t e n i n 5 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光台特性及籽粒品质分析 6 山东农业大学硕士专业学位论文 1 引言 小麦栽培历史悠久，是世界上主要粮食作物之一，全世界有3 5 4 0 的人口主要靠小麦为生( 吴兆苏，1 9 9 0 ) 。因此，小麦生产对世界经济发 展与人类生存都起到非常重要的作用。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国常规小麦育种工作处于爬坡阶段，育 成的新品种没有取得重大突破( 张爱民，1 9 9 7 ) 。一方面是因为育种手段 的落后及遗传资源的匮乏，使得目前小麦品种的遗传变异范围越来越窄， 在效率和进程上显示出很大的局限性( 刘德璞，1 9 9 1 ) 。另一方面，随着 水肥条件的改善、种植密度的加大以及矮秆品种的种植等，麦田过于郁蔽， 各种病虫害连续发生，严重影响了小麦产量的提高和品质的改良，特别是 白粉病已成为小麦生产危害面积最大的病害( 孙黛珍，2 0 0 4 ) ；另外，灌 溉、施肥方法不当和环境污染等因素的影响，也使土壤的盐碱化程度日益 加重，对农业生产构成重大的威胁，成为限制农业生产的主要因素。因此， 如何进一步提高小麦品种的产量潜力，增强品种对病虫害及逆境的抵御能 力，提高小麦加工与营养品质是目前小麦生产所面临的重大课题。 杂种优势是指在诸如抗性、产量等某些性状上具有不同表型的双亲通 过有性杂交产生的f l 在这些性状上超过亲本，并会在以后世代逐渐消失 的生物学现象，它在生物界广泛存在。2 0 世纪3 0 年代的杂交玉米开了作 物杂种优势利用的先河，随后在油菜、水稻等作物上得到利用并取得了举 世瞩目的成就，到现在为止基本上在所有农作物上都进行了杂种优势利用 的有益探索。利用杂种第一代优势是各类作物育种共同的发展趋势，通过 杂种优势来提高作物产量、改善品质，从而解决人类食物短缺是2 0 世纪 农业科学取得的最突出的成就之一。杂种优势的利用作为提高作物产量和 品质的一个极其重要的途径，在玉米。水稻、油菜等作物上已经得到了广 泛的应用。而小麦作为世界主要粮食作物，同样也存在明显的杂种优势。 因此，人们更寄希望于利用小麦杂种优势大幅度提高小麦产量。但是，由 于小麦属自花授粉作物，必须通过控制自花授粉才能获得高纯度的杂交一 代，使小麦杂种优势的利用受到了一定限制。为了能更好地利用小麦杂种 优势，越来越多的育种工作者致力于雄性不育的研究中。据报道，已经在 4 3 科、1 6 2 属、3 2 0 个种的6 1 7 个品种或种间杂种中发现雄性不育( k a u l 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光台特性及籽粒品质分析 mlh ，1 9 8 8 ) 。到目前为止在小麦中已发现和育成了细胞质雄性不育系 ( c y t o p l a s m i cm a l es t e r i l 时，c m s ) 、核雄性不育系( g e n em a l es t e r i l i t y ， g m s ) 及光温敏雄性不育系( p h o t o t h e n l l o s e n s i t i v eg e i l i cm a l es t e r i l 时) 等。利用化学杂交剂( c h e m i c a lh y b r i d i z a t i o na g e m s ，c h a ) 诱导小麦雄性 不育是近年来小麦杂种优势利用的研究热点。西北农林科技大学和天津农 科院利用c h a 技术分别育成了“西杂1 号”、“津化1 号”优势组合用于 小麦生产，促进了当地小麦产量的大幅度提高( 刘宏伟，1 9 9 8 ；张爱民， 1 9 9 7 ) 。 1 1 小麦雄性不育的研究 1 1 1 细胞质雄性不育系 细胞质雄性不育实际为核质互作雄性不育，是由于核质不协调所致。 1 9 5 1 年，日本学者木原均( k m a r a ) 将普通小麦( 丹f 出“朋口o j f f v “ml ) 细胞核导入卯圆山羊草( 爿p 却- o w 幻) 细胞质中，第一次得到了小麦的 核质互换雄性细胞质的不育系。1 9 6 2 年，美国学者w i l s o n 和r o s s 选育出 了具有提莫菲维小麦( zf 咖。砌8 8 v f ) 细胞质的普通小麦雄性不育系，即t 型不育系。随后科学家又先后获得了k 型、v 型、d 2 型等核质置换的小 麦雄性不育系。通过小麦与其近缘种属间的杂交和核置换回交己得到各种 类型的小麦雄性不育系7 0 余种，其中研究最为广泛深入的为t 型雄性不 育系。此外，国内外研究较多的还有k 型和v 型雄性不育系。 1 1 1 1t 型细胞质雄性不育系 自t 型雄性不育系和恢复材料引入我国后，各单位纷纷转育了大量的 不育系和恢复系，并开始组配组合。由于恢复系恢复力以及双亲的农艺性 状水平问题，多数组合表现超亲，但与对照品种相比却无多大优势，因而 提高亲本水平成为解决“超亲容易超标难? 的关键。后来许多单位紧密结 合常规育种，转育和选育新一代的不育系和恢复系，在组合配制前进行恢 复系和保持系的产量比较试验，选择农艺性状优良、产量水平较高的恢复 系和保持系配制组合。目前一些新选育的亲本材料其产量水平已接近或超 过对照品种。t 型雄性不育是杂种小麦生产中较好的不育类型，但其恢复 源相对较少，完全恢复所需要的恢复基因数目较多，恢复基因在纯合和杂 合时表现不一样。不育系在灌浆后期a 一淀粉酶活性高，造成种子皱缩和 山东农业大学硕士专业学位论文 成熟前穗发芽、种子质量差、发芽率低等问题( 杜伟莉，2 0 0 2 ) 。现虽已 有所改良，优良不育系仍较少，造成t 型杂种小麦仍处于示范种植和小面 积推广阶段。 1 1 1 2k 、v 型细胞质雄性不育系 1 9 7 8 年，t s u n e w a k i 分别以粘果山羊草和易变山羊草为细胞质源，用 斯卑尔脱小麦( z 印p 、莫迦小麦口m d c 和普通小麦1 b l ，1 r s 易位系莎 尔蒙( 跖砌彻) 为细胞核供体，培育出k 、v 型小麦雄性不育系。目前，国 内外公认的易恢复且无不良胞质效应的是粘果山羊草细胞质雄性不育系 ( k 型) 等。日本学者最早将粘果山羊草与普通小麦杂交获得雄性不育， 还研究证明育性恢复由一对基因控制，在普通小麦中普遍存在育性恢复基 因。国内从7 0 年代开始就有人开展k 型雄性不育的研究。1 9 8 7 年，西北 农业大学较好地实现了k 型的“三系”配套，发现一些有l b l r 血缘的 品种可作保持系( 一些非1 b 1 r 品种也能保持k 型雄性不育) ，在黄淮流 域大面积推广的品种小偃6 号是较好的恢复系，这为应用于生产创造了良 好的条件。 偏凸山羊草细胞质雄性不育系( v 型) 也在西北农业大学选育成功并 实现“三系配套”。v 型不育系具有恢复源广、无不良胞质效应以及不产 生单倍体等优点，是可用于杂种小麦生产的又一优良不育类型。保持系不 产生或很少产生单倍体。k 型、v 型不育系虽然恢复基因来源较多，但恢 复度很高的恢复系并不多，说明育性恢复不完全是受一对基因的控制，可 能受几对基因的控制。恢复系的选育仅通过测交筛选还不行，需要通过基 因转育及基因累加等方式杂交选育恢复系。 1 1 2 核基因雄性不育 一 小麦雄性不育有许多是由核基因控制的，除山西太谷显性核不育及国 外个别显性核不育外，绝大多数为隐性核不育，即用正常品种给其授粉所 结的种子下一代为正常可育。国内外经过3 0 多年的研究，发现和培育出了 2 0 多种小麦核不育系。并且在不育机理、育种、杂优利用研究等方面取 得了重大进展( 王鹏科，1 9 9 8 ) 。由于核型雄性不育往往找不到稳定的保 持系而限制了其杂种优势的利用，甚至导致了一些材料的丢失。由于这类 核不育系找不到保持系，在利用其杂种优势时需要带有与雄性不育紧密连 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光台特性及籽粒品质分析 锁的标记性状( 基因) 做为辅助，d r j s c o l l ( 1 9 7 2 ) 根据染色体工程原理 曾设计了一种x y z 体系，利用带有育性标记基因的异源单体附加系作为 特殊保持系，使4 a 染色体短臂上的隐性雄性不育基因接受外来花粉生产 杂种小麦。我国太谷核不育的发现和蓝标型核不育保持系的育成，使核不 育的研究更加广泛和深入。标记性状的应用已使得遗传型核不育小麦在保 持问题、育种以及杂种优势利用等方面取得了较大进展。 1 1 3 化学诱导雄性不育 化学诱导雄性不育是目前小麦杂种优势利用的主要途径之一，所用的 化学物质称为化学杀雄剂，又称化学杂交剂。化学杀雄法利用小麦杂种优 势，最大的优点是配组自由，强优组合选出率高；没有细胞质负效应，种 子生产程序简单；即使杂种纯度不很高，对产量影响也不太大；可以利用 f 2 代等。但是，化杀法对杀雄剂的要求恶格：能诱导完全或近于完全的雄 性不育，而不影响雌花的育性；具有较为灵活的用药剂量和时期；与基因 型和环境的互作效应小；无药害无残毒使用完全；价格低廉等。因此化杀 法利用小麦杂种优势的关键是理想杀雄剂的研制。应用化学物质诱导雄性 不育的研究国外始于1 9 5 3 年，h o a 2 l a n d 用马来酰肼处理小麦，获得了雄性 不育株。之后的4 0 多年中，世界各国的科学工作者研制、筛选了大量的化 学物质应用于小麦雄性不育的诱导。除7 0 年代应用较多的乙烯利外，还有 g e n e s i s 、s c 2 0 5 3 、w l 8 4 8 1 1 、i y 1 9 5 2 5 9 、b a u l 、b a u 2 、b a u 9 4 0 3 、 e k 、e s 等。应用这些化学杀雄剂诱导雄性不育配制的杂交种已开始在生 产上应用。目前，杂种小麦在美国约占全国小麦种植面积的1 ，阿根廷 种植约7 万h m 2 以上，法国已有3 个杂交种注册推广，澳大利亚已有5 个杂交 种注册推广，单位面积增产多在1 5 以上( 刘雄伦，2 0 0 0 ：刘秉华，1 9 9 6 ) 。 虽然化学杂交剂应用方便，效果显著，但是由于药剂对作物会造成生理上 的伤害，从而产生种子瘦秕，发芽率低等不良后果( a a d u 口a ，2 0 0 4 ) 。 1 1 4 光温敏雄性不育 光温敏雄性不育是基因型( 多为核基因型) 与环境互作的雄性不育类 型，可以通过改变其光照和温度来达到_ 系两用( 不育系和保持系) ，一 般在短日照低温下不育，长日照高温下可育。何觉民等从贵农1 4 中选育出 短日低温敏感雄性不育材料( 张海清，1 9 9 4 ) 。这种材料在短日低温条件 山东农业大学硕士专业学位论文 下表现雄性不育，可用于制种；在长日适温条件下则雄性可育，实现不育 系的自身繁殖。日本学者将普通小麦细胞核导入肥山羊草( 又称粗厚山羊 草彳e 卵娜口) 细胞质中，在长于1 5 个小时的光照下部分品种表现雄性不育， 在短于1 5 个小时的光照下则育性正常，这是核质互作型的光敏雄性不育。 据何觉民等多年研究，通过不同时空播种可以从许多普通小麦品种中筛选 出一系列光温敏雄性不育系。傅大雄等发现粘果山羊草胞质异质小麦的育 性具有核质互作型温、光敏特性，在国内外较早地报道了以此拓建k m 型 两系杂交小麦，徐乃瑜等亦进行了大量的两系法杂交小麦育种的研究工作 ( 徐乃瑜，1 9 9 4 ) 。目前，应用光温敏雄性不育已选育出一批强优势组合 在生产上试种。虽然光温敏雄性不育恢复源较广，制种程序简单，但在实 际应用上还存在些问题，如育性不稳定和实际光温条件不稳定等。 1 2 小麦雄性不育细胞质效应的研究 自硒1 1 a r a 育成第一个小麦细胞质雄性不育系以来，人们已经发现有 2 6 个小麦近缘种的细胞质对普通小麦细胞核表现雄性不育。由于大多数 雄性不育细胞质都表现出一定的不良胞质而影响其应用。t s u l l e 、v a k i 等诸 多学者研究发现异源细胞质对小麦的生育期、抽穗期、生长习性、株高、 节间长度、种子活力、旗叶长度等性状都有显著的影响，如：爿e 跚“d ，加s a 细胞质和天蓝偃麦草细胞质对普通小麦具有早熟效应( 张改生，1 9 8 7 ) ， 爿咖阳缸细胞质则能较大幅度延迟普通小麦的成熟期。单芒山羊草细胞质 与粘果山羊草细胞质效应比较：单型细胞质与粘型细胞质在农艺性状上的 效应基本一致，但单型细胞质杂种较粘型杂种种子发芽率高，单型细胞质 抗白粉病能力较粘型好( 朱列层，1 9 9 9 ) 。黄铁城等指出t 型小麦细胞质 会引起普通小麦籽粒皱缩，a 一淀粉酶活性增加，穗发芽增加，蛋白质含 量增加，发芽率降低( 黄铁城，1 9 8 5 ) 。何蓓如( 1 9 8 5 ) 、柴守诚( 1 9 8 5 ) 等分别对t 型胞质与普通小麦胞质在同核异质可育杂种中的负效应进行 了系统研究，结果表明，t 型胞质的负效应是明显存在的。例如，与普通 小麦不育胞质杂种相比，t 型胞质杂种的单株产量、单株穗数、穗粒数的 杂种优势均明显下降，但千粒重明显增加( 刘双月，1 9 9 7 ) ：t 型细胞质 使不育系所结种子瘦瘪，易穗发芽。杨天章等研究指出，k 型雄性不育胞 质与普通小麦相比，具有使幼苗生长势减弱，抽穗提早，株高、干粒重和 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光合特性及籽粒品质分柝 容重降低，小穗数减少，蛋白质含量提高，发芽率上升，单株有效分蘖减 少等趋势( 杨天章，1 9 9 0 ) 。王士杰等( 1 9 9 6 ) 研究指出，a l 型细胞质和 t 型细胞质与可育普通小麦胞质相比，大多数农艺形状上无不良负效应。 粘果山羊草细胞质对不育系的不良效应是植株生长势弱，易产生单倍体； 偏凸山羊草也具有使生长势减弱的不良效应，但较粘果山羊草的效应要 轻；野生燕麦胞质对普通小麦的负效应是籽粒灌浆速度稍慢，与提莫菲维 细胞质相比，它在籽粒形成后尚未发现a 一淀粉酶分解的现象( 宋自仁， 1 9 9 4 ) 。不同细胞质对同一细胞核表现出不同的遗传效应，同样，同一细 胞质在不同核背景下的遗传效应不同：如卵圆山羊草细胞质在普通小麦中 国春、姆卡、霍洛希列和奇霍库4 种不同的核背景下，对生长势、低温抗 性、叶绿素含量和叶面积等性状的影响都表现出了一定程度的差异。这表 明异源细胞质遗传效应的产生与细胞核基因的作用是密切相关的，核质杂 种中各种性状的表达都是核与异质之间相互影响、共同作用的结果。因此， 在核质杂种优势利用研究中，既要考虑到细胞核的影响，也要注意细胞质 的作用，同时还要考虑两者间的互作和协调关系( 易自力，2 0 0 0 ) 。 在小麦亚族中广泛存在着细胞质的遗传多样性，虽然异源胞质的引入 对于不育系有着较多的不良效应，但部分异源细胞质对小麦在某些性状上 也会存在一些正效应。在抗性方面，吴郁文等研究发现具有节节麦( 爿e 勋“胛加s d ) 和粗厚山羊草( 以p c r 口甜) 等山羊草细胞质的异源细胞质小麦 具有较强的耐盐性。候宁等( 2 0 0 0 ) 人通过组织培养，盐溶液浸种发芽， 水培幼苗、模拟盐池等方法，证明了粗厚山羊草( d 2 型) 细胞质对提高 小麦的耐盐性有明显的影响。对于细胞质雄性不育系所配制的杂交种，同 样存在一定的胞质效应。詹克慧等研究发现，k 型胞质对普通小麦的大多 数性状有一定影响，但不同性状产生的效应不同，对农艺性状主要是不良 影响，而对品质主要是有利影响( 詹克慧。2 0 0 4 ) 。乔利仙等人( 乔利仙) 对k 、v 型杂种小麦千粒重、蛋白质含量、湿面筋和沉降值等品质性状的 研究证明，它们均有较高的优势表现， 可作为改良品质的细胞质源。 1 3 作物光合生理特性的研究 光合作用的过程是为植物产品提供原料，因此，对于粮食和纤维的生 产起着关键的作用，较高的光合碳同化能力是作物获得高产的前提。改善 山东农业大学硕士专业学位论文 光合作用对于提高作物生产力及籽粒产量具有重要意义( 魏锦城，1 9 9 2 ) 。 因此，了解光合机构内在运转的生理生化机制，探明不同作物基因型以及 具体栽培条件下光合作用的限制因素，将有利于从光合生理角度因地制宜 地选育高光效品种及采取适宜的高光效调控措施，以进步提高作物的光 合利用率。多年来，国内外学者围绕小麦光合作用的生理生化过程作了较 多的研究工作。2 0 世纪2 0 年代初由强光中光合速率受温度明显影响的结 果推测：光合作用至少存在两个步骤，其一需要光，为“光化学反应”； 另一则与光无关但却随温度升高而加速的“暗反应”。1 9 3 9 1 9 4 0 年英国 人希尔( r h i l l ) 发现在有受氢体时，由破碎的叶子中提取的叶绿体，照光 可使水光解，由此提出了著名的h i l l 反应。6 0 年代以来，随着对光合作 用研究的不断深入，研究者发现光合作用的过程可分为原初反应、光合电 子传递与光合磷酸化以及碳同化四个相互联系的环节。 1 3 1 叶绿素含量与光合速率的关系 光合作用的原初反应是由叶绿素吸收光能，在类囊体上完成光能的吸 收和转化。叶绿素在这一过程起重要作用，植物叶片中叶绿素含量和组成 的变化，实际上就反映了叶片光合生理活性的变化。因此，通过对叶绿素 含量在各主要生育时期变化的系统研究，可以了解光合作用在小麦一生的 变化( 牛立元，1 9 9 9 ) 。张荣铣等在研究叶绿素含量、叶片光合功能期与 光合速率的关系时发现，在叶绿素缓降期间，叶片的光合速率与叶绿素含 量高低无关，在叶绿素含量速降期间时绿素含量与光合速率呈正相关，而 叶绿素缓降期的长短与光合速率高值持续期的长短也呈正相关( 张荣铣， 1 9 9 0 ) 。叶绿素a b 含量之比在小麦各生育时期较平稳，但在整个生育过 程中呈下降趋势：前期叶绿素a 相对较高，后期则相反( 牛立元，1 9 9 9 ) 。 1 3 2 光合作用中的光合电子传递和光合磷酸化 光合作用从作用中心色素( 少数叶绿素a 分子) 被天线色素传递的光 能所激发放出电子，通过水光解产生的h + 和p 0 穿梭传递的h + ，构成光 合磷酸化的质子动力势( p m f ) 。当h + 通过c f l 偶联因子时，推动c f l 偶 联因子在m 孑+ 。a t p 酶的作用下与叶绿体结合，经类囊体膜上的h + a t p 合成酶催化形成a t p 。电子经过光系统i i ( p s i i ) 、光系统i ( p si ) 等 一系列电子传递，最终把电子传递给n a d p + ，还原形成n a d p h 。光合 小麦不同细胞质雄性不育系及其杂交种光合特性及籽粒品质分折 电子传递在光合作用的光能转化过程中有重要作用。a m o n 等发现p + 还可偶联成a r p ，即参与光合电子传递过程的非环式光合磷酸化作用 ( a m o n ，1 9 7 7 ) 。己有研究表明，电子传递作为光合机构的重要组成部分， 除为光合碳同化提供还原力外还可能影响叶绿体内部环境的调节( 王君 颖，1 9 9 6 ) 。光合机构的维持、运转和代谢活动需要不断地得到能量的供 应。在光合作用过程中，光能先转化成化学能，携带在两个生物体内广泛 存在的能量载体还原辅酶i i 和腺三磷上。a t p 合成酶在细胞中具有将其 他类型能量转化为生物中能量通货一a 曙”的作用。在叶绿体内a t p 合成 酶主要有c f i 和c f o 两个亚基组成，两组分均位于类囊体膜上，其中酶组 分中亲水蛋白质复合体c f - 突出于膜表面，疏水性c f o 嵌在膜内( 任汇淼， 1 9 9 4