第十一章雄性不育极其杂种品种的选育

1、华南农业大学农学院作物育种系第十一章第十一章 雄性不育性其杂种品种的选育雄性不育性其杂种品种的选育第第1节节 植物雄性不育的遗传基础植物雄性不育的遗传基础在植物界是很普遍的，18个科的150多植物中存在。如水稻、玉米、高梁、大小麦、甜菜、油菜等。在海南三亚发现野败现场与助手尹华奇（左一）、李必湖（右一）在安江农校试验田 水稻野败不育株的发现水稻野败不育株的发现雄性不育株农艺性状差雄性不育株农艺性状差需要改良转育需要改良转育1.1.雄性不育利用历史雄性不育利用历史“杂交水稻之父杂交水稻之父”袁隆平院士袁隆平院士 1964年，他在我国率先开展水稻杂种优势利用研究，并提出通过培育雄性不育系、雄性不育

2、保持系和雄性不育恢复系的三系法三系法途径来培育杂交水稻，以大幅度提高水稻产量。 1972年与同事们一起率先育成我国第一个实用的水稻雄性不育系及其保持系“二九南1号”，并于1973年实现“三系”配套，1974年选育成第一个强优组合“南优2号”，1975年研究出一整套生产杂交种子的制种技术，1976年开始，杂交水稻在全国大面积推广，比常规稻平均增产20%左右。 不育系不育系珍汕97A的转育：的转育：野败株材料虽然不育但农艺性状不良，用农艺性状优良可育材料（如珍汕97）来改良。WA不育株S (rr) 珍汕97 N (rr) 回交 珍汕珍汕97A珍汕珍汕97B 不育系 S (rr) 保持系 N (rr

3、)江西农科院颜龙安中国工程院院士“杂交水稻之母杂交水稻之母”福建农业科学院谢华安中国科学院院士珍汕97A IR26(恢复系)汕优6号(具有杂种优势)珍汕97A 明恢63(恢复系)汕优63(具有杂种优势)“杂交水稻之父杂交水稻之父”在杂交稻领域，三大细胞质雄性不育类型。在杂交稻领域，三大细胞质雄性不育类型。1）野败型）野败型(袁隆平袁隆平)2）红莲型）红莲型(朱英国朱英国)3）包台型）包台型(日本日本)而且只有而且只有“野败型野败型”和和“红莲型红莲型”在生产中在生产中大面积推广种植，被冠以大面积推广种植，被冠以“东方魔稻东方魔稻”的美的美称。称。1972年起，利用海南红芒野生稻与常规年起，利用

4、海南红芒野生稻与常规稻杂交选育的籼稻配子体雄性不育系类稻杂交选育的籼稻配子体雄性不育系类型型红莲型。红莲型。武汉大学中国工程院院士朱英国 自1976年以来，到目前为止，杂交稻累计增产5200亿亿公斤，如果按照每年每人消耗500斤计算，那就等于他解决了20亿人口一年的吃饭问题。 一粒种子改变了世界2000年，超级杂交稻实现百亩示范片亩产700公斤的第一期目标2004年，超级杂交稻实现百亩示范片亩产800公斤的第二期目标2011年，超级杂交稻实现百亩示范片亩产900公斤的第三期目标2013年，年，超级杂交稻实现百亩示范片亩产1000公斤公斤的第四期目标第四期目标水稻的绿色革命：水稻的绿色革命：50

5、年代，半矮杆水稻品种的育成使水稻大幅度增产；70年代，三系杂交稻的推广利用实现了水稻单产的第二次飞越。90年代，开始水稻新株型育种（超级稻育种），有望实现第三次飞越。水稻CMS的研究与应用出了5个院士小麦的半矮秆育种获得诺贝尔和平奖小麦的半矮秆育种获得诺贝尔和平奖绿色革命之父，诺贝尔和绿色革命之父，诺贝尔和平奖获得者，诺尔曼平奖获得者，诺尔曼 布布劳克劳克 (Norman Borlaug) “东方魔稻东方魔稻” 杂交优势杂交优势的的利用，利用，能否创造第二个能否创造第二个诺贝尔和平奖？诺贝尔和平奖？1).1).核不育型：核不育型：是一种由核内染色体上基因所决定由核内染色体上基因所决定的雄性不育

6、类型。遗传特点：遗传特点：多数核不育型受一对隐性基因(msms)所控制，呈简单的孟德尔式的分离。纯合体(msms)表现为雄性不育。败育过程发生于花粉母细胞的减数分裂期间，不能形成不能形成正常花粉正常花粉。故败育十分彻底，可育株与不育株有明显界限。2. 2. 雄性不育雄性不育( (male sterility) )的类别的类别无保持系，无保持系，用普通遗传学的方法不能使整个群体整个群体保持这种不育性，这是核不育型的一个重要特征。核不育的利用有很大的限制，msmsMsms or MsMs2).细胞质雄性不育型细胞质雄性不育型 (cytoplasmic male sterility CMS). .概

7、念概念：由细胞质基因和核基因互作控制的不育类型。. .花粉败育时间花粉败育时间：单子叶植物的花粉败育多数发生在减数分裂以后的雄配子形成期；双子叶植物败育发生在减数分裂过程中或在此之前。CMS的表现一般比核不育要复杂。. .遗传特点遗传特点：不育基因位于细胞质，恢复基因位于细胞核。不育基因位于细胞质，恢复基因位于细胞核。胞质基因为胞质基因为S：不育：不育（细胞质含不育基因）（细胞质含不育基因）；胞质胞质基因为基因为N：可育：可育（细胞质（细胞质不含不含不育基因）不育基因） ；核核基因为基因为R：能够恢复不育株育性。核基因为核基因为r：不能恢复不育株育性；3.3.植物质核不育性的遗传基础与利用植物

8、质核不育性的遗传基础与利用1）.孢子体不育：孢子体不育：是指花粉的育性受孢子体(即植株)基因型所控制，而与花粉本身所含基因无关。*孢子体基因型为rrrr 花粉全部败育；*孢子体基因型为RRRR 花粉全部可育；*孢子体基因型为RrRr 产生的花粉中有R也有r,但均可育均可育。rrrrRR/ RrRR/ Rr如：水稻野败型不育系等。如：水稻野败型不育系等。杂合基因型杂合基因型Rr 植株的自交后代花粉育性呈现可育植株的自交后代花粉育性呈现可育:不育不育=3:1分离分离（其中RR和Rr植株的花粉可育，rr 植株的花粉不育）3.1 不育类型不育类型2）.配子体不育：配子体不育：花粉育性直接由花粉本身的基

9、因所决定。配子体内核基因为R 可解除胞质不育基因毒性，该雄配子可育可育配子体内核基因为r 不能解除胞质不育基因毒性，该雄配子不育不育RR Rr杂合基因型杂合基因型Rr 植株植株的自交后代中的自交后代中，花粉育性呈现，花粉育性呈现 全可育全可育: :半不育半不育=1:1=1:1的分离的分离（其中RR 植株花粉全可育；Rr 植株花粉半不育，即带R 基因的花粉可育，带r的花粉不育）3.2 (1)S(rr) N(rr) S(rr) (2)S(rr) N(RR) S(Rr)S(rr) S(RR) S(Rr) (3)S(rr) N(Rr) S(Rr) + S(rr)S(rr) S(Rr) S(Rr) +

10、S(rr) 恢复系恢复系保持系保持系不育系不育系不育系不育系质核型不育性遗传的示意图质核型不育性遗传的示意图3.3 CMS雄性不育与恢复性机理雄性不育与恢复性机理水稻BT-CMS型不育系的线粒体atp6基因的下游区域有一个分子内重组引起的嵌合序列Orf79，是一个与CMS密切相关的毒蛋白。许多证据表明许多证据表明CMS是由线粒体基因组决定的：是由线粒体基因组决定的：玉米CMST的mtDNA有一个特有的高丰度转录本基因Turf13，它是一个嵌合基因，是线粒体分子间和分子内经多次重组产生的。该基因的产物广泛分布于CMS-T所有线粒体内膜，是非必需的结构蛋白矮牵牛CMS有关基因pcf也是一个嵌合基因

11、，其表达产物也是线粒体非必需多肽已克隆的CMS恢复基因（Rf）这些基因主要包括这些基因主要包括:玉米的玉米的Rf2基因基因 -乙醛脱氢酶基因乙醛脱氢酶基因 (ALDH)矮牵牛的基因矮牵牛的基因Rf-PPR592 -含含PPR结构域的蛋白结构域的蛋白萝卜的萝卜的Rfo基因基因 -含含PPR结构域的蛋白结构域的蛋白水稻水稻的的Rf-1基因等基因等 -含含PPR结构域的蛋白结构域的蛋白质-核不育型的败育和育性恢复机理Orf79（毒蛋白）Rf-1aCMSRf-1b降解切割Male sterilityPremature PCD in tapetumMitochondrionWA352Cytochrome

12、 c oxidase WA352OsCOX11NucleusCytosolOsCox11Fertility restorationWA352ROSCytochrome cDe novo gene originationRf3RF3RF4Rf4Abnormal tapetum degeneration(MMC stage)RF3RF4OsCOX11Luo et al.2013, Nature Genetics不育系不育系繁殖田繁殖田制种田制种田%100%每穗总粒数每穗不实粒数）不育度（%10011%每穗总粒数每穗实粒数）恢复度（FF部分可育回交后代淘汰不育测交)()()()()()(RfrfSr

13、frfNRfRfNrfrfNrfrfNrfrfS)()()(3RfrfSRfRfSrfrfSFBn可育不育Advantage & Disadvantage of 3-line hybrid rice systemAdvantagesStable male sterilityDisadvantagesLimit germplasm source (CMS, Restorer)Dominant CMS cytoplasm in large area (WA) One more step for parental seed productionTime consuming of CMS br

14、eeding1 1 光、温敏核不育材料光、温敏核不育材料的发现的发现1973年，石明松在晚粳农垦晚粳农垦58中发现“湖北光敏核不育水稻“农垦农垦58S”，核不育系的利用受到极大的关注。水稻的光敏核不育材料：水稻的光敏核不育材料：长日照长日照条件下为不育(14h，制种制种)；短日照短日照条件下为可育(13.75，繁种繁种)。水稻的温敏核不育材料：水稻的温敏核不育材料：28，不育不育；23-24育性转为正常。基于光敏核不育的水稻两系杂交制种法2 2 光、温敏核不育材料光、温敏核不育材料的遗传基础的遗传基础3 3 光、温敏核不育材料光、温敏核不育材料的利用的利用TGMS and two-line h

15、ybridBased on the discovery of P(T)GMS mutantMale sterility controlled by 1 or 2 pairs of recessive gene(s)FertileS-lineMultiplicationCritical Fertility PointCritical Sterility PointReproductive Upper LimitReproductive Lower LimitSterileF1 SeedProductionPartial SterilityModel of Sterility / Fertilit

16、y Expression for TGMS RiceTemperaturelowhighAdvantage & Disadvantage of 2-line hybrid rice systemAdvantagesSimplified procedure of hybrid seed production Multiple and diverse germplasm available as parentsAny line could be bred as female97% (2-line) vs 5% (3-line) of germplasm as maleIncreased c

17、hance of developing desirable & heterotic hybridsMultiple cytoplasm courses as female parentsDisadvantagesEnvironmental effect on sterility could cause seed purity problemIndica x japonicaIndica x javanicajaponica x javanicaindica x indicajaponica x japonicaIn AsiaIn United Sates杂种优势利用的三个阶段杂种优势利

18、用的三个阶段Measurements of Rice Grain Quality:Milling yieldTotal milling yieldWhole milling yieldChalkAmylose contentGel Temperature (ASV)Length, width, L/WProteinAromaFuture Opportunity:Improve hybrid rice grain qualityRice grain quality of inbreds and hybrids* TraitInbredHybridTotal Milling (%)69.168.2Whole Milling (%)48.745.4Chalk (%)13.520.6Amylose (%19.820.6GT4.35.5Length6.97.1L/W3.23.3Data from National Cooperative Testing (NCT), Philippines, 2004-2005Future Opportunity:Improve hybrid rice grain qualityData source: 20