（生物物理学专业论文）水稻细胞质雄性不育育性恢复遗传机理研究.pdf

致谢 本论文是在导师夏英武教授的悉心指导、全面关怀下完成的。导师身上所表现出的 率先垂范、不计名利、胸怀坦荡、正直无私的性格，对事业的真诚执著、勇于奉献的 精神以及对生活乐观进取的态度永远是我学习的典范。值此论文完成之际，谨向他表 示衷心的感谢及崇高的敬意! 我要将我至深的感谢献给中国水稻所郑康乐研究员，在本论文的实施及写作过程中， 郑先生曾给予了诸多的关怀：鼓励及精心指点。郑先生严谨的治学态度、一丝不苟的 工作作风、对科学事业的执着追求，给我留下了深刻的印象，亦将使我终生受益。 在攻读博士学位期间，本研究方向舒庆尧教授与崔海瑞副教授曾在生活上及论文实施 过程中给予了诸多的关心、指导和帮助，谨向二位老师表示最诚挚的感谢。 特别致谢我的师兄庄杰云博士，是他将我引入q t l 研究领域。本论文从设计、实 施到撰写过程中均凝聚着师兄的心血。 衷心地感谢中国水稻所樊叶杨老师、屠国庆老师、孙益芬老师、饶志明博士、孙宝 龙老师在论文实施过程中给予的极大支持。 在论文的整理过程中，蒋爱兰女士、周美园女士提供了诸多的便利和帮助，谨向两 位女士表示深诚的谢意。 在本人就读核农所期间，本所孙锦荷教授、徐步进教授、高明尉教授、沈伟桥副教 授、付俊杰副教授、张明龙副教授、沈圣泉博士、朱明峰老师、周建华老师、郭江峰 博士、叶庆富博士及汪志平博士、赵小俊老师均给予了学业上的指导和生活上的帮助， 在此向他们表示真诚的感谢。 感谢吴殿星博士、包劲松博士、王忠华博士、吴关庭博士、张明洲博士、池晓菲博 士、吴刚博士、陈善福硕士、谢小波硕士、范正琪硕士、周新文博士、钟兴文博士、 吴元奇博士、金卫兵博士、郑铁松博士、张世民博士、赵希岳博士、李晋楠博士、徐 兵硕士、蔡志强硕士等同学伴我度过了三年艰难的求学岁月，他们亦给了我许多有益 的启示，这段相伴于求是圆的日子将给我的人生留下珍贵的回忆。 感谢浙江大学的领导及老师给我提供了良好的求知环境，并衷心地期待母校屹立于 世界名校之林。 感谢我的岳父张思文先生、岳母李忠娴女士、母亲张梅花女士、江西农科院的李丛 科夫妇在我求学期间对我家庭及小孩的照顾，并衷心地祝愿他们健康长寿：同时，对我 的儿子谢聿狲表示深深的歉意，因为我没有尽到做父亲的责任。 谨以此文献给我的妻子张设女士，我的每一步成功均与她的理解、支持和无私奉 献分不开。 谢建坤 2 0 0 0 年5 月于杭州、浙江大学华家池畔 缩略语 a b q t l高代回交群体q t l 分析法( a d v a n c e d b a c k c r o s sq t l a n a l y s i s ) a f l p 扩增片段长度多态性( a m p l i f i e df r a g m e n t sl e n g t hp o l y m o r p h i s m ) c m s 胞质雄性不育( c y t o p l a s mm a l es t e r i l i t y ) c m s d a矮败型不育系( d i 砌删越蹦i 、】e c m s ) d h加倍单倍体( d o u b l e dh a p l o i d s ) c m s d t滇型不育系( d i a nt y p ec m s ) g e基因型环境互作( g e n e x e n v i r o n m e n t i n t e r a c t i o n ) c m s h l 红莲型不育系( h o n g l i a nc m s ) c m s i d印尼水田谷型不育系 ( i n d o n e s i ac m s ) m a s分子标记互助选择( m a r k e ra s s i s t e ds e l e c t i o n ) n i l近等基因系 州e a r - i s o g e n i cl i n e s ) p c r 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s e c h a i nr e a c t i o n ) q t l数量性状位点( q u a n t i t a t i v e t r a i tl o c u s ) r a p d随机扩增多态性d n a ( r a n d o m l ya m p l i f i e dp o l y m o r p h i s md n a ) r f l p限制性片段长度多态性( r e s t r i c t i o nf r a g m e n t l e n g t hp o l y m o r p h i s m ) r i l重组自交系( r e c o m b i n a n ti n b r e dl i n e s ) s f 结实率( s p i k e l e tf e r t i l i t y ) s s l p简单序列长度多态性 ( s i m p l es e q u e n c el e n g t hp o l y m o r p h i s m ) s t s 序列标记位点( s e q u e n c e - t a g g e ds i t e s ) c m s w a 野败型不育系( w i l d a b o r t i v ec m s ) x a 协青早a ( x i e q i n g z a o a ) x b协青早1 3 ( x i e q i n g z a o b ) x m 协青早b 密阳4 6 ( x i e q i n g z a o b m i y a n 9 4 6 ) z m珍汕9 7b 密阳4 6 ( z h e n s h a n 9 7 b m i y a n 9 4 6 ) 摘要 本研究应用水稻协青早a ( 协青早b 密阳4 6 ) f 。、协青早a ( 珍汕9 7 b 密阳4 6 ) f 。及珍汕9 7 a ( 珍汕9 7 b 密阳4 6 ) f 。三套测交群体，开展水稻细胞质雄性不育遗传机 理及恢复基因定位研究。首次对水稻矮败型不育系育性恢复基因进行定位，填补了该 一研究领域的空白；同时通过对三套测交群体进行的分子定位结果进行比较，研究( 1 ) 不同遗传背景条件下c m s d a 育性恢复遗传控制的差异，为矮败胞质不育在生产上的进 一步应用提供理论依据：( 2 ) 密阳4 6 对协青早a 和珍汕9 7 a 育性恢复遗传控制的差异， 以探讨水稻c m s 育性恢复基因间的相互关系。 对三套测交群体育性恢复的经典遗传学研究结果表明：水稻c m s 的育性恢复表现 为质量一数量性状：不同遗传背景对水稻育性恢复的影响可能主要表现在微效q t l 的不 同及基因间互作的差异。j 应用( 协青早b 密阳4 6 ) f 。重组自交系群体，建立了由9 5 个r f l p 标记和2 0 个s s l p 标记组成的连锁图谱，总图距为1 5 7 2 1 c m ，标记间平均距离为1 5 5 7 c m 。水稻矮败型 胞质雄性不育育性恢复基因定位研究表明：在第1 0 染色体上定位到一个主效基因 ( 卵卜，口，同时在第i 、8 、l o 染色体上各检测到一个q t l 。除此之外，在第3 染 色体上还检测到一个影响结实率q t l ，其杂合子具有降低结实率的作用；未检测到与 环境互作的育性恢复基因；在对育性恢复显性效应及加性效应进行分析时，认为对育 性的恢复主要以显性效应为主。这些研究结果与经典遗传学分析的结果相符。f 对协青早a x m r i l 及协青早a z m r i l 两个群体所检测到的恢复基因进行比较， 研究表明：控制育性恢复的主效基因卵 ，口0 和恢复能力较强的2 个微效恢复基因 彬。，和卵卜，萨，在两个群体中同时检测到，两个群体中所检测到的效应最小的恢 复基因则各不相同，说明不同遗传背景对水稻育性恢复的影响主要表现在微效q t l 的 不同，当群体中协青早b 的成分被珍汕9 7 b 取代后，群体中恢复基因的效应得到加强。 对密阳4 6 中控制协青早a 及珍汕9 7 a 的育性恢复基因进行比较，结果表明：控制 育性恢复的主效基因卵卜j 口誓和恢复能力较强的2 个微效基因卯卜和卵卜口叫均 相同；不同的是在珍汕9 7 a ( 珍汕9 7 b 密阳4 6 ) f 6 测交群体中并未检测到其他几个微 效q t l ，而上位性效应对该群体的结实率的遗传控制具有重要作用，上位性q t l 的总贡 献率达1 2 6 。而在其它两个测交群体中，上位性效应对性状变异贡献率仅分别为1 8 和3 + 9 。 综上所述，遗传背景对恢复基因的影响及同一恢复系对不同c m s 的育性恢复差异表 现在下述几个方面：( 1 ) 同一个恢复基因，对不同不育系的恢复能力，可能有所不同。 ( 2 ) 效应较小的恢复基因可能只有在特定的遗传背景下，才能发挥作用。( 3 ) 背景中其 它控制结实率的基因是否存在，将影响到恢复基因对育性恢复的最终效应。( 4 ) 背景因 子与恢复基因的相互作用，将影响到恢复基因的效应。( 5 ) 在不同组合中，上位性效 应的变异较大。 s u m m a r y t h ei n h e r i t a n c eo f f e r t i l i t yr e s t o r a t i o no fc y t o p l a s m i cm a l es t e r i l i t y ( c m s ) i n r i c ea n d d n am a r k e rb a s e dg e n e m a p p i n g f o rf e r t i l 畸r e s t o r a t i o nw e r eu n d e r t a k e n ，b yu s i n gt h r e e t e s t c r o s s p o p u l a t i o n so fx i e q i n g z a oa ( x i e q i n g z a ob m i l y a n g4 6 ) f 6 ，x i e q i n g z a o a ( z h e n s h a n9 7b m i l y a n g4 6 ) f 6a n dz h e n s h a n9 7 a ( z h e n s h a n9 7 b m i l y a n g4 6 ) f 6 g e n e sf o r t h ef e r t i l i t yr e s t o r a t i o no fd w a r f - a b o r t i v ec m sw e r e m a p p e d f o rt h ef i r s tt i m e c o m p a r i s o n s a m o n g t h em a p p i n gr e s u l t sf r o mt h et h r e ep o p u l a t i o n sw e r ea l s om a d et os t u d yt h ei n f l u e n c e o ft h eg e n e t i cb a c k g r o u n do nt h ef e r t i l i t yr e s t o r a t i o n ，a n dt o a n a l y z e t h e r e l a t i o n s h i po f f e r t i l i t yr e s t o r a t i o no f t h es i t l l l er e s t o r e rl i n em i l y a n g 4 6o nd i f f e r e n tc m s s e g r e g a t i o na n a l y s e si n d i c a t e dt h a t t h e s p i k e l e tf e r t i l i t y b e h a v e da sa q u a l i t a t i v e q u a n t i t a t i v et r a i ti nt h et h r e ep o p u l a t i o n s i t w a sa l s os u g g e s t e dt h a tt h ef e r t i l i t yr e s t o r a t i o n w a sa f f e c t e db yt h eg e n e t i cb a c k g r o u n di nt h ew a y so fv a r i a t i o no n g e n e so f m i n o re f f e c t sa n d g e n eb yg e n ei n t e r a c t i o n s a l i n k a g em 印c o n s i s t i n g o f 9 5r f l pa n d2 0s s l pm a r k e r sw a sc o n s t r u c t e df r o m x i e q i n g z a ob m i l y a n g4 6f 6r e c o m b i n a n ti n b r e dl i n e ( r i l ) p o p u l a t i o n s i ts p a n n e df o r15 7 2 a c mw i t ha a v e r a g ed i s t a n c eo f1 5 5 7b e t w e e nm a r k e r s f o u rm a i ne f f e c tq t lf o r f e r t i l i t y r e s t o r a t i o nw e r ed e t e c t e di nt h et e s t c r o s s p o p u l a t i o n ，i n c l u d i n g o n e m a j o rg e n e o n c h r o m o s o m e1 0 ，a n d3m i n o rg e n e so nc h r o m o s o m e s1 ，8a n d1 0 ，r e s p e c t i v e l y o n ea d d i t i o n a l q t l f o rs p i k e l e tf e r t i l i t yw a sd e t e c t e do nc h r o m o s o m e 3 ，b u ti t s h e t e r o z y g o t eh a d a ne f f e c t f o r r e d u c i n gt h et r a i tv a l u e o nc o m p a r i s o nb e t w e e nq t l f o r s p i k e l e tf e r t i l i t y d e t e c t e di n x i e q i n g z a oa ( x i e q i n g z a ob m i l y a n g4 6 ) f 6t e s t - c r o s sp o p u l a t i o na n d x i e q i n g z a ob m i l y a n g 4 6r i l p o p u l a t i o n ，i tw a ss h o w n t h a tt h ea d d i t i v ee f f e c to f t h ep a t e r n a la l l e l eh a r d l y c o n t r i b u t e dt ot h ef e r t i l i t yr e s t o r a t i o n a 1 1 t h e s er e s u l t sw e r ei na c c o r d a n c ew i t ht h e p h e n o m e n o no b s e r v e di nt h ef e r t i l i t ys e g r e g a t i o n f o u rm a i ne f f e c tq t lf o rf e r t i l i t yr e s t o r a t i o nw e r ed e t e c t e di ne a c ho f t h e p o p u l a t i o n s x i e q i n g z a oa ( x i e q i n g z a ob m i l y a n g4 6 ) f 6a n dx i e q i n g z a oa ( z h e n s h a n9 7b m i l y a n g 4 6 ) f 6 t h em a j o rg e n eq r f - l o - 2w a sd e t e c t e di nb o t hp o p u l a t i o n s o f t h et h r e em i n o r g e n e s ， t h e t w o q t lh a v i n g g r e a t e re f f e c t s ，q 醪la n d q r f - l o l ，w e r e a l s o d e t e c t e di n b o t h p o p u l a t i o n s o n l y t h e q t ld i s p l a y i n gs m a l l e s te f f e c t sa m o n gt h o s ed e t e c t e di nt h es a n l e p o p u l a t i o nw e r e n o td e t e c t e di nt h eo t h e r p o p u l a t i o n s t h i s i n d i c a t e dt h a tt h e f e r t i l i t y r e s t o r a t i o ng e n e s h a v i n gs m a l l e f f e c t sw e r e g r e a t l ya f f e c t e db y t h eg e n e t i cb a c k g r o u n d w i t l lt h ea d v a n c eo f t h e r e p l a c e m e n to f x i e q i n g z a ob c o n s t i t u t i o ni nt h ep o p u l a t i o n s b y 4 z h e n s h a n9 7 b ，t h ef e r t i l i t yr e s t o r a t i o nw a sg r a d u a l l ye n h a n c e d i nt h et e s t c r o s sp o p u l a t i o no f z h e n s h a n9 7 a ( z h e n s h a n9 7 b m i l y a n g4 6 ) f 6 ，t h em a j o r g e n eq r f - l o - 2 a n dt h et w om i n o rg e n e so f s u b s t a n t i a le f f e c t s ( g 冠，= ，a n dq r f - l o ，) w e r e d e t e c t e d n om o r em a i ne f f e c tq t lw e r ed e t e c t e d b u t4s i g n i f i c a n td i g e n i ci n t e r a c t i o n sw e r e f o u n d t h e e p i s t a t i cq t l c o n t r i b u t e d1 2 6 t ot h ep h e n o t y p ev a r i a t i o ni n t h ez h e n s h a n 9 7 a ( z h e n s h a n9 7 b m i l y a n g4 6 ) f 6p o p d a t i o n ，w h i c h w a sm u c h h i g h e rt h a tt h ee p i s t a s i s c o n t r i b u t i o no f1 8 i nx i e q i n g z a oa ( x i e q i n g z a ob m i l y a n g4 6 ) f6 ，a n d t h a to f3 9 i n x i e q i n g z a oa ( z h e n s h a n9 7 b m i l y a n g4 6 ) f 6 o nc o n c l u s i o n ，t h ei n f l u e n c eo f t h eg e n e d cb a c k g r o u n do nt h ef e r t i l i t yr e s t o r a t i o n ，a n dt h e v a r i a t i o no f f e r t i l i t yr e s t o r a t i o n o ft h es a m er e s t o r e rl i n eo nd i f f e r e n tc m sw e r es h o w ni n v a r i o u sw a y s t h e f e r t i l i t yr e s t o r a t i o na b i l i t yo f t h e s a n eg e n eo nd i f f e r e n tc m s m i g h t v a r i e df r o mo n et oa n o t h e r r e s t o r a t i o ng e n e so fs m a l le f f e c tw e r eo r f l ya c t i v ei ns p e c i f i c g e n e t i cb a c k g r o u n d s t h e f i n a le f f e c to f r e s t o r a t i o n g e n e s w a si n f l u e n c e db yg e n e s c o n d i t i o n i n go t h e rt y p e so f s p i k e l e tf e r t i l i t y t h e e f f e c to fr e s t o r a t i o ng e n e s m i g h t b e g r e a t l ya f f e c t e db y t h e i ri n t e r a c t i o n sw i t h b a c k g r o u n df a c t o r s t h ei m p o r t a n c e o f e p i s t a s i s o nt h eg e n e t i cc o n t r o lo f f e r t i l i t yr e s t o r a t i o nv a r i e dg r e a t l yi nd i f f e r e n tc o m b i n a t i o n s 第一部分文献综述 1 水稻杂种优势的研究与利用现状概述 1 1 杂种优势利用途径和方法 杂种优势是指两个遗传组成不同的亲本杂交产生的f ；，比亲本具有较强的生活 力、生长势、适应性、抗逆性和丰产性等现象。 农作物的杂种优势是l g 世纪中期德国学者k o l r e n t e r ( 1 7 6 3 ) 在烟草中首次发现 的：其后达尔文( 1 8 6 6 1 8 7 6 ) 在广泛研究了植物异花授精和自花授精的变异情况后， 第一次指出玉米具有杂种优势。s h u l l ( 1 9 1 4 ) 注意到玉米自交衰退和杂交有利的现象， 提出了杂种优势的概念，对于推动杂种优势的研究起了重要的作用。至2 0 世纪中叶， 玉米杂种优势在农业上得到广泛利用，单位面积产量大幅度提高。 水稻的杂种优势研究始于2 0 世纪。1 9 2 6 年，j o n e s 首先提出了水稻具有杂种优势， 引起了各国育种家的重视。1 9 6 8 年日本新城长友在育成了具有“c h i n s u r a hb o r o i i ” 细胞质的台中6 5 不育系后，实现了粳型杂交水稻的三系配套，遗憾的是未能在生产上 得到利用。美国、印度、前苏联、菲律宾也相继开展了这项研究，但未完成三系配套。 1 9 6 4 年，我国袁隆平开始了杂交水稻的研究工作。1 9 7 0 年，李必湖在海南岛崖县 普通野生稻自然群落中发现花粉败育型不育材料，利用这一份材料育成了一系列的雄 性不育系。1 9 7 3 年，我国成功地实现了籼型杂交水稻的三系配套，以后又实现了粳型 三系配套，选育出的一批不同类型的杂交水稻组合在生产上大面积推广，普遍表现强 大的杂种优势，比主栽常规品种增产2 0 左右，产生了巨大的经济效益和社会效益( 孙 宗修和程式华，1 9 9 4 ) 。 利用杂种一代这种超亲现象以获得更大的经济效益，称为杂种优势利用。目前生 产上应用的杂交水稻大多是利用品种间杂种优势。7 0 年代，我国就是利用此类杂种优 势使我国水稻在矮化育种后又取得重大突破，普遍可增产2 0 以上。然而由于品种间亲 缘较近，遗传物质差异不大，杂种优势具有较大的局限性。由于籼粳亚种间遗传距离 较大，长期以来，人们就试图用籼粳杂种优势来提高水稻产量。然而籼粳杂交存在较 大的负优势，主要问题是结实率偏低，籽粒不饱满，熟期偏迟，植株过高( 王建军等 1 9 9 1 ) 。广亲和基因的发现研究和利用为解决结实率问题带来了希望，其它几个负优 6 势问题亦可通过选用不同的籼粳材料得以解决。杂种优势利用的另一途径是远缘杂 种，远缘杂交可在一定程度上打破稻种之间的界限，促使不同稻种的基因交流，直接 利用远缘杂种优势，可能会出现迄今我们难以想象和预料的杂种优势，但远缘杂种优 势的利用却是非常困难的。人们一直在寻找克服这些困难的方法，借助于无融合生殖 和遗传工程，从理论上说，是有可能在生产上利用远缘杂种优势的，因为无融合生殖 既可固定疯狂分离的远缘杂种，又能消除远缘杂种的结实障碍，但这种利用无融合生 殖固定杂种优势的方法尚未有实践应用。 目前在生产上利用杂种优势的方法主要是三系法，该法是通过现有育成的不育 系、保持系、恢复系的配套，实现杂种优势，目前在生产上应用的不育系主要有野败 型不育系( w a ) 、冈型不育系( g ) 、d 型不育系( d ) 、印尼水田谷型不育系( i d ) 、矮败型 不育系( d a ) 和红莲型不育系( h l ) 等，其中应用面积最大的是野败型不育系( 曾千春， 2 0 0 0 ) 。现在不少育种家致力于三系法亚种间组合选育，即将水稻广亲和基因导入现 有不育系、保持系或恢复系，育成广亲和性三系，然后利用广亲和籼粳不育系和现有 粳、籼恢复系配组，或用广亲和籼、粳恢复系和现有粳、籼不育系配组，育成强优组 合直接用于生产。除了三系法外，利用光( 温) 敏不育系的特点进行两系法杂种优势 利用亦在生产上得到应用。利用无融合生殖培育不分离的f ，杂种，将杂种固定下来的 一系法杂种优势利用仍然停留在研究阶段，其最大的障碍是难以发掘可利用的无融合 生殖材料。 1 2 杂种优势的遗传基础 关于杂种优势的遗传基础早在2 0 世纪初就提出了显性假说和超显性假说，随后又 提出了遗传平衡和核质互作等理论，其中两种主要的观点，即显性假说和超显性假说 一直是人们争论的焦点( 孙宗修和程式华，1 9 9 4 ) 。 显性假说认为杂种优势是由于双亲的显性基因全部聚集在杂种中所引起的互补作 用，在多数情况下，显性性状往往是有利的，而隐性性状是有害的，杂种f 。综合了双 亲的显性有利基因和隐性不利基因，隐性不利基因的效应被显性有利基因的效应所掩 盖。从而表现出杂种优势。 超显性假说认为杂种优势来源于双亲基因型的异质结合而引起等位基因间的互 作a 根据这一假说，等位基因没有显隐关系，同位点的等位基因可分化出许多不同的 异质性的等位基因，异质的等位基因问的相互作用大于同质( 纯合) 的等位基因间的 作用，超显性假说可以解释杂种远远优于最优亲本的现象，并得到了越来越多的研究 结果的证明。 显性假说和超显性假说都立论于杂种优势来源于双亲等位基因的互作，是产生杂 种优势的最基本假说。但实际上杂种优势是一种复杂的生理遗传现象，不仅涉及到等 位基因间的互作还与非等位基因间的互作有关，而且作物产量形状往往是由多个数量 性状基因位点控制。传统的遗传学方法难以区分单个数量基因的效应及相互作用，限 制了杂种优势遗传基础研究。近年来d n a 分子标记技术的发展和应用，通过对单个q t l ( 数量性状位点) 效应及q t l 间互作分析，使得深入开展杂种优势遗传机制的研究成 为可能。最近，应用分子标记技术对杂种优势遗传基础的研究已取得了许多进展。这 些研究结果对阐明杂种优势的遗传基础有着重要的意义。 s t u b e r 等利用一个玉米f 。群体，分别与两个亲本回交，发现产量性状q t l ( 数量 性状基因位点) 上的杂合基因型比纯合基因型表型值大，从而得出超显性对杂种优势 起了重要作用的理论。庄杰云等( 2 0 0 0 ) 提出利用亚群体分析法，对杂交水稻中的超 显性效应进行分析，他们在两个衍生于杂交稻推广组合的f ：群体中，挑选均匀分布于 连锁图谱的d n a 标记作为固定因子，分别根据每个固定因子的基因型将f 。群体分成三 类亚群体：母本型( i 型) 、父本型( 型) 和杂合型( i n 型) 。在大量型亚群体中， 杂合度与产量和穗数呈显著正相关。在表现这种相关性的型亚群体内分析产量q t l 和穗数q t l ，发现超显性作用是研究组合杂种优势的主要遗传基础。 认为显性作用是杂种优势的主要基础，亦有诸多的报道，如x i a o 等( 1 9 9 5 ) 以籼 稻品种9 0 2 4 为母本、粳稻品种l h 4 2 2 为父本进行杂交，建立重组自交系群体。用该重 组自交系群体分别与双亲进行测交，并对该两个测交群体的株高、抽穗期、成熟期、 穗长等1 2 个农艺性状进行q t l 分析，结果认为显性作用是杂种优势的主要基础。如在 两个群体中，共检测到2 个控制产量的q t l ，其中1 个q t l 位点的杂合状态反而降低产 量，而且在某些农艺性状上，f 株系反而不如其亲本。 张启发( 1 9 9 8 ) 在选用生产上广泛应用的优良籼型杂交稻组合汕优6 3 为材料，定 位了产量和重要农艺性状的数量性状位点( q t l ) ，分析了基因间的相互作用，并深入 探讨了这些基因效应对杂种优势形成的影响，得出的结果认为大多数产量q t l 上表现 出超显性效应，而产量构成因子只有部分q t l 表现出超显性效应。在对基因组所有可 能的两位点组合作基因间互作效应分析时发现大量的上位性效应，其互作类型包括加 性x 加性、加性显性和显性显性等，但以加性x 加性为主。这些上位性效应涉及 大量的标记位点，分布遍及水稻的1 2 条染色体，其中多数位点在作单位点分析时未检 测到显著效应，而许多上位性效应在两年均被检测到，它们所涉及到的基因位点组合 乃至互作类型在两年间也表现出高度的一致性，说明其存在的真实性。另外，大多数 q t l 部与至少一个其他位点显著互作。这些结果清楚地表明，上位性效应在性状表现和 杂种优势的形成中起重要作用。 由上述分析可知：杂种优势的形成是显性效应、超显性效应和上位性效应作用的 结果。在某些组合显性效应是形成杂种优势的主要基础；而另一些组合则可能是超显 性效应和上位性效应的作用为主。在某些位点可能表现出显性效应，而另一些位点又 可能表现超显性效应，且位点间的互作广泛存在，因此杂种优势的遗传机理相当复杂。 除此之外，目前还有一些学者在对基因表达与杂种优势的关系上进行了研究，采 用m r n a 差异显示的方法，一些研究者发现同一作物的杂交种与亲本之间以及不同的杂 交种之间，一系列的基因在表达的质和量上都发生了显著的变化( 李任华等1 9 9 9 ) 。而 且杂种优势还涉及到细胞质效应( v i r m a n i ，1 9 9 0 ) ，可见对杂种优势的遗传机理研究仍 然任重而道远。 1 3 我国水稻杂种优势利用现状及发展趋势 我国自1 9 7 3 年杂交稻实现三系配套，1 9 7 6 年大面积推广种植以来，至1 9 9 8 年全 国已累计种植杂交稻2 7 亿多h m 2 ，增产稻谷3 亿多吨，全国杂交稻种植面积占水稻年 播种面积5 0 以上，个别省份9 0 以上为杂交稻( 许世充，1 9 9 8 ) 。在大面积应用三系 杂交稻的基础上，我国于2 0 世纪8 0 年代末又成功地选育出两系杂交稻，目前有的组 合已开始应用于生产。1 9 9 8 年，旨在提高光合作用效率的超级杂交稻研究项目获总理 基金资助，进一步促进了杂交稻的研究。就目前杂交稻发展现状而言，我国仍处在世 界领先地位。下面将从我国三系及二系杂交稻生产入手分析我国水稻杂种优势利用现 状及发展趋势。 1 3 1 三系杂交水稻利用现状及发展趋势 我国水稻杂种优势利用的主要途径，是通过培育胞质雄性不育系，雄性不育保持 系和雄性不育恢复系( 合称三系) ，从而达到选配强优势组合的目的，我国现有9 种胞 质不育系类型应用于生产，即w a ( 矮败型不育系) 、g ( 冈型不育系) 、i d ( 印尼水田谷 型不育系) 、d ( d 型不育系) 、d a ( 矮败型不育系) 、h l ( 红莲型不育系) 、k ( k 型不育 9 系) 、b t ( 包苔型不育系) 和d t ( 滇型不育系) ，在用这9 种不育系配制的杂交组合中， 又以w a 型组合最多，使用面积最大。据1 9 9 6 、1 9 9 7 和1 9 9 8 年的统计，该类型胞质所 配组合分别占6 9 0 、6 4 7 和5 7 8 ，代表不育系有：珍汕9 7 a 、二九南1 a 、v 2 0 a 、 v 4 0 a 、二九矮a 和新香a 等。代表组合有：汕优6 3 、威优5 7 、汕优6 4 、汕优7 7 等， 其中汕优6 3 ，1 9 9 6 年种植面积为3 5 6 万h m 2 ，该一组合在生产上已应用1 0 多年，虽然 近几年来种植面积逐年下降，但其在生产上的霸主地位仍难以动摇。 除w a 型不育系外，其它类型不育系所配组合在生产上亦得到了广泛应用，且种植 面积在逐年增加。由冈型不育系所配组合冈优2 2 。1 9 9 7 年推广面积为1 6 0 万h m 2 ， 1 9 9 6 1 9 9 8 年其播种面积仅次于汕优6 3 ，名列第二。d 型不育系所配组合d 优l o 号亦 曾创造1 6 7 3t h m 。的单产纪录。矮败型不育系所配组合则在1 9 9 6 1 9 9 8 年均居第4 位， 且播种面积稳定，其它几种类型不育系所配组合也均在生产上得到应用。 总体来看，在我国三系杂交稻生产中仍以w a 型为主，据1 9 9 8 年的资料，w a 型占 5 5 3 ( 程式华，2 0 0 0 ) 。近些年来，为了在水稻生产上增加细胞质遗传的多样性和克 服杂交稻潜在的遗传脆弱性，我国非常重视多种胞质类型的综合开发应用，特别是在 新质源的发掘研究中，积极从野生稻和栽培品种中发掘雄性不育新质源。为利用籼粳 杂种优势，我国学者亦在进行将广亲和基因引入不育系和恢复系中，对现有不育及恢 复系进行改良，如中国水稻所成功地将广亲和基因导入到野败型不育系中，育成了野 败型广亲和不育系0 6 4 a ，为水稻籼粳亚种间杂种优势的利用提供了新材料和新方法( 陈 深广，1 9 9 7 ) 。在恢复系的改良上亦将一定比例的粳型“血缘”导入到现有的籼型恢复 系中，育成了一批广亲和恢复系和中间偏籼的恢复系，这些新恢复系在选育亚种间杂 交组合中显示了应用潜力( 章善庆等1 9 9 5 ，程式华等1 9 9 8 ) 。 总之，随着新质源开发，不育系、恢复系的不断改良和创新，一些新的具有农艺 性状好、米质优的杂交组合问世，我国三系杂交稻生产霸主地位仍将呈现良好的发展 趋势，居世界领先水平。 1 3 2 两系杂交水稻利用现状和发展前景 两系杂交稻的研究始于1 9 8 3 年石明松发现的光敏核不育系农垦5 8 s ，1 9 8 7 年两系 杂交稻被列为国家“8 6 3 ”项目，在经历了1 9 8 9 年盛夏长日低温和1 9 9 1 年短日异常高 温的严峻考验之后，两系法杂交水稻无论在基础理论还是实际应用方面都取得了巨大 成绩。目前，已在湖南、湖北、安徽、四川等省设立了两系法杂交稻组合的中试开发 1 0 区( 卢兴桂等1 9 9 8 ) 。到目前为止，我国两系法杂交稻已通过省级鉴定，具有实用价 值的光温敏不育系已有1 0 多个，1 9 9 8 年两系杂交稻累计种植面积达1 2 3 4 3 万h m 2 。 目前在生产上应用较多的两用不育系主要是培矮6 4 s ，培矮6 4 s 特青于1 9 9 4 年在 云南省永胜县涛源乡试种7 0 0 m 2 ，实收单产1 7 11 t h m 2 ，创全国高产纪录。目前培矮 6 4 s 是全国范围内的主要水稻生产区应用的温敏核不育系，通过对繁种田幼穗分化第3 至第6 期进行冷水串灌，一般繁种产量可达3 0t h m 2 ，最高达5 2 5t h m 2 ，超过了三 系不育系的繁种产量。新审定的杂交组合培矮6 4 s e 3 2 ，1 9 9 7 年在江苏试种，平均单 产为1 3 2 6 t l 衄2 ，实现日产稻谷1 0 0 k g h m 2 的超高产目标，达到了国际水稻研究( i r r i ) 所提出的2 0 0 5 年育成“超级稻”的水平；1 9 9 9 年在湖南进行了连片示范，4 个点平均 单产1 0 5t h m 2 ，达到了农业部规定的中国超级稻指标( 佚名，2 0 0 0 ) 。 此外有苗头的亚种间新组合有：测6 4 s 零轮、k s 1 5 5 0 1 等，可见中国两系杂交 稻研究与应用继续保持国际领先地位。 2 遗传标记与水稻基因定位 2 1 分子标记的种类 1 9 5 3 年，j d w a s t o n 和f h c c r i c c k 提出了d n a 分子结构的双螺旋模型，圆 满地解释了dna 就是基因的有机化学实体，宣布了分子遗传学时代的到来。分子遗 传学揭示了生物的遗传物质是脱氧核糖核苷酸( d n a ) 它是携带和传递遗传信息的 复杂的生物聚合体，它的基本结构是4 种不同碱基的核苷酸。这些核苷酸以一定的顺 序排列成长链。d n a 分子双链上的碱基是互补的，不同种类的生物，同一种生物的不 同个体，d n a 核苷酸排列的顺序存在差异，这是d n a 本身可以成为遗传标记的基础。 第一种分子标记是美国的b o t s t e i n 等1 9 8 0 年提出的d n a 限制性片段长度多态性 ( r f l p ) 。从此开创了直接应用d n a 多态性发展遗传标记的新阶段。随着8 0 年代后期 p c r 技术的创立，以及对基因组研究的不断深入，许多新型的分子标记不断涌现，到目 前为此约有2 0 多种分子标记。这些各具特色的标记大致可以分为二大类。 第一类是以分子杂交为基础的标记。如r f l p ( 限制性片段长度多态性) 。另一类 是以p c r 为基础的分子标记，主要包括：s t s ( s e q u e n c et a g g e ds i t e ，序标位) ，d a f ( d n aa m p l i f i c a t i o nf i n g e r p r i n t i n g ，d n a 扩增指纹) ，r a p d ( r a n d o m l ya m p l i f i e d p o l y m o r p h i s md n a ，随机扩增多态性d n a ) ，a l p ( a m p l i c o ml e n g t h p o l y m o r p h i s m 扩增子长度多态性) ，a f l p ( a m p l i f i e df r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ，扩增片段长 度多态性) ，s a p ( s p e c i f i ca m p l i c o np o l y m o r p h i s m ，特异扩增子多态性) ， s s l p ( s i m p l es e q u e n c el e n g t hp o l y m o r p h i s m ，简单序列长度多态性) ，s s c p ( s i n g l e s t r a n dc o n f o r m a t i o np o l y m o r p h i s m ，单链构象多态性) ，r g a ( r e s i s t a n c eg e n e a n a l o g ，抗性基因同源序列) 以及s c a r ( s e q u e n c e c h a r a c t e r i z e da m p l i f i e dr e g i o n ， 序列特异性扩增区) 标记等。这些分子标记的出现为遗传连锁图谱构建、基因定位研 究提供了有力的工具。从而推动了遗传学研究进入了一个日新月异的发展阶段。下面 就用于水稻遗传图谱构建及基因定位的几种常用分子标记作一介绍。 2 1 1r f l p r f l p ( r e s t r i c t i o nf r a g m e n tl e n g t hp o l y m o r p h i s m ) ，是限制性片段长度多态 性的