太空誘變玉米雄性不育突變體的遺傳分析

摘要： 從衛(wèi)星搭載的玉米自交系魯原3624自交后代中選育出1份雄性不育突變體。通過(guò)田間觀察和室內(nèi)花粉鏡檢對(duì)其育性進(jìn)行鑒定，并在不同生態(tài)條件下鑒定了不育性狀的遺傳穩(wěn)定性，另通過(guò)測(cè)交、正反交、回交以及自交對(duì)不育性狀的遺傳特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明： 該不育突變材料雄穗無(wú)任何花藥外露，花藥內(nèi)基本無(wú)可染花粉粒，且在不同生態(tài)條件下均能穩(wěn)定遺傳，屬于隱性單基因控制的細(xì)胞核雄性不育類型。

關(guān)鍵詞：玉米；太空誘變；雄性不育；突變體；遺傳分析

中圖分類號(hào)：S513.035.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2013）04-0028-04

雄性不育現(xiàn)象在玉米、小麥、水稻等主要農(nóng)作物上普遍存在。玉米雄性不育材料在生產(chǎn)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值，闡明其雄性不育機(jī)理，能更好地促進(jìn)其在玉米遺傳育種和雜種優(yōu)勢(shì)上的利用。新技術(shù)、新手段的出現(xiàn)，也為不斷創(chuàng)造出新的雄性不育材料、產(chǎn)生新的種質(zhì)提供了新的途徑。

空間誘變是指利用返回式衛(wèi)星或高空氣球?qū)⑥r(nóng)作物種子帶到太空，利用太空特殊的環(huán)境條件（空間宇宙射線、微重力、高真空、弱磁場(chǎng)等），使植物細(xì)胞內(nèi)染色體等遺傳物質(zhì)發(fā)生突變，產(chǎn)生突變型，從中選擇優(yōu)良的突變個(gè)體 [1，2]。通過(guò)太空誘變技術(shù)，我國(guó)自1987年至今已育成大批作物新品種或新品系，同時(shí)還篩選出許多有用的突變體材料[3～5]。

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所于2006年9月選送6份優(yōu)良玉米自交系，通過(guò)返回式衛(wèi)星“實(shí)踐八號(hào)”進(jìn)行空間搭載實(shí)驗(yàn)，從中選育出1份雄性不育突變材料。本試驗(yàn)對(duì)該不育突變材料的田間育性、不育性狀的穩(wěn)定性及其育性遺傳等方面進(jìn)行了研究。

1材料與方法

11材料及衛(wèi)星搭載

將籽粒飽滿、大小均勻的6份優(yōu)良玉米自交系分成一式兩份，一份作為對(duì)照種子在地面保存，另一份于2006年9月通過(guò)返回式衛(wèi)星“實(shí)踐八號(hào)”進(jìn)行太空搭載，進(jìn)行誘變處理。用于測(cè)交及正反交遺傳分析的玉米自交系有：Mo17、丹340、齊319、掖478、昌7-2、恢313、牛2-1。

12方法

121田間試驗(yàn)2007年6月17日，在山東省農(nóng)科院試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)（濟(jì)南）同時(shí)相鄰種植6份空間搭載誘變種子（處理）與對(duì)照種子。每份誘變種子分別種植6行，對(duì)照種子分別種植4行，行長(zhǎng)5 m，行距067 m，每行21株，單粒播種，田間精細(xì)管理。將誘變種子及其對(duì)照分別自交，衛(wèi)星搭載回收種子處理當(dāng)代記為SP1，SP1自交后代記為SP2，SP2自交后代記為SP3，其余依次類推。2007年11月10日，在海南三亞種植各處理種子的SP2及對(duì)照，種植方式、方法同濟(jì)南一樣。

122育性鑒定采用田間鑒定與室內(nèi)花粉鏡檢相結(jié)合的方法。田間育性鑒定采用Duvick[6]提出的育性鑒定標(biāo)準(zhǔn)，于散粉期分3 次逐株進(jìn)行育性鑒定；室內(nèi)花粉用1%I-KI 染色，鏡檢花粉粒的可染性。

123不育性狀的穩(wěn)定性分析以不育株為母本，用同一群體的可育株作為父本進(jìn)行姊妹交，育性完全恢復(fù)的姊妹交F1 植株自交得到F2種子，分別在山東濟(jì)南、海南三亞進(jìn)行種植，觀察其育性表現(xiàn)，記錄育性分離情況，并進(jìn)行χ2測(cè)驗(yàn)。

124不育性狀的遺傳分析以不育株為母本，與同一群體的可育株進(jìn)行姊妹交以及其它自交系進(jìn)行測(cè)交，對(duì)雜交F1 以及它的自交或回交后代進(jìn)行育性調(diào)查，分析其細(xì)胞核效應(yīng)；同時(shí)以具有正常細(xì)胞質(zhì)的自交系Mo17和昌7-2為母本，育性完全恢復(fù)的測(cè)交F1 植株為父本進(jìn)行反交，觀察反交F1、F2 的育性表現(xiàn)，分析其細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)。將所有育性分離的世代均進(jìn)行χ2測(cè)驗(yàn)，判斷其遺傳規(guī)律。

2結(jié)果與分析

21不育材料的發(fā)現(xiàn)及處理

2007年在濟(jì)南種植的所有太空誘變自交系當(dāng)代（SP1）中并沒(méi)有出現(xiàn)雄性不育突變株。但同年在海南三亞種植時(shí)發(fā)現(xiàn)：自交系魯原3624的SP2代07H2016小區(qū)中有6株雄性不育株，而其它誘變自交系的SP2代和所有對(duì)照都未發(fā)現(xiàn)不育株。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不育株的農(nóng)藝性狀與正常可育株沒(méi)有明顯差異，而且不育株雄穗與可育株雄穗的大小和分枝數(shù)沒(méi)有明顯區(qū)別，但不育株雄穗的花藥瘦小干癟，無(wú)花藥外露（圖1）。所有不育單株分別用同一小區(qū)可育株進(jìn)行姊妹交和對(duì)照自交系魯原3624測(cè)交保種。花粉用1%的I-KI染色，鏡檢花粉粒的可染性，結(jié)果為：不育株花藥內(nèi)基本無(wú)花粉粒或有少數(shù)不可染的畸形花粉粒，可育株花藥內(nèi)充滿正常可染的花粉粒及一些不可染的花粉粒，而對(duì)照魯原3624的花藥內(nèi)全部是正常可染的花粉粒（圖2）。

以上結(jié)果分析表明，不育突變體魯原3624的不育性狀既可通過(guò)母本傳遞給后代，也可通過(guò)父本傳遞給后代，且經(jīng)多年、多點(diǎn)試驗(yàn)證明可穩(wěn)定遺傳。不育基因不僅在不育突變體自身的細(xì)胞質(zhì)背景下可以表達(dá)，在正常細(xì)胞質(zhì)背景下也可以表達(dá)，而且正、反交后代育性分離群體中可育株與不育株比例符合孟德?tīng)柗蛛x規(guī)律。這表明該不育性狀是由細(xì)胞核內(nèi)遺傳物質(zhì)控制的，與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)遺傳物質(zhì)無(wú)關(guān)，屬可遺傳的單基因控制的隱性核不育類型。

3結(jié)論與討論

從搭載返回式衛(wèi)星“實(shí)踐八號(hào)”的玉米自交系魯原3624誘變后代中成功選育出1份雄性不育材料，經(jīng)過(guò)遺傳分析認(rèn)為，它屬于隱性單基因控制、可穩(wěn)定遺傳的玉米細(xì)胞核雄性不育材料。這也進(jìn)一步證實(shí)了太空環(huán)境對(duì)植物確實(shí)具有誘變作用，而且這些誘變的性狀是穩(wěn)定的，可以遺傳的。對(duì)于從空間誘變后代成功選育玉米細(xì)胞核雄性不育的研究，早已有成功的報(bào)道[8，9]，我們的研究結(jié)果與他們基本一致。而張采波等[10]利用返回式衛(wèi)星“實(shí)踐八號(hào)”進(jìn)行搭載處理的2份玉米自交系誘變后代中成功選育出3份玉米細(xì)胞質(zhì)雄性不育材料，與我們的研究結(jié)果并不完全一致，但這并不矛盾。這也從另一方面說(shuō)明太空誘變雖然能誘發(fā)植物種子產(chǎn)生遺傳變異，但是誘變是隨機(jī)發(fā)生的，而不是定向的。

空間環(huán)境處理種子是植物誘變選育的有效方法，但也受植物種子本身因素的影響。本試驗(yàn)太空搭載了6份優(yōu)良玉米自交系，但僅從1份誘變自交系魯原3624的自交后代SP2中選育出雄性不育突變體。說(shuō)明這些自交系的遺傳背景對(duì)太空誘變效果有直接影響，要想得到適合的突變體，必須選擇適宜誘變材料。曹墨菊等[8]同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星搭載的6份材料（1份為雜交種， 1份為群體材料，4份為純系材料），結(jié)果僅在雜交種的處理后代中得到可遺傳的雄性不育突變體。他們認(rèn)為用遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜的材料進(jìn)行太空誘變更容易獲得突變體。李玉玲等[9]認(rèn)為，代謝旺盛、對(duì)外界刺激反應(yīng)敏感的原生質(zhì)體、細(xì)胞、生長(zhǎng)發(fā)育中的作物作為誘變材料，在空間條件下并輔以理化誘變因子進(jìn)行復(fù)合處理，可能獲得更為豐富的遺傳變異材料。可是究竟如何選擇最佳的空間誘變材料，目前尚未見(jiàn)研究報(bào)道，這將是我們今后需要重點(diǎn)研究的課題。

許多研究單位通過(guò)太空誘變都獲得了可穩(wěn)定遺傳的隱性單基因控制的玉米雄性不育突變體，但研究也發(fā)現(xiàn)這些材料的不育性狀并不是由同一基因控制的。李玉玲等[11]通過(guò)SSR分子標(biāo)記已經(jīng)將不育材料鄭58的不育基因初步定位在第1條染色體上，不育材料昌7-2的不育基因初步定位在第4條染色體上。劉福霞等[12]通過(guò)分子標(biāo)記將川單9號(hào)的不育基因定位在第3染色體長(zhǎng)臂上。本試驗(yàn)也通過(guò)SSR分子標(biāo)記將不育材料魯原3624不育基因初步定位在第2條染色體長(zhǎng)臂上，對(duì)該材料的精細(xì)基因定位正在進(jìn)行。這些不同的雄性不育基因也進(jìn)一步說(shuō)明太空誘變的隨機(jī)性，當(dāng)然也可能與不同種子的基因型有關(guān)。至于這些不育基因在不育性狀中所起的作用，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明。

總之，太空誘變作為一種新的誘變育種手段，已創(chuàng)造出許多有益種質(zhì)，且培育成許多高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種，將其應(yīng)用于種質(zhì)創(chuàng)新及作物遺傳改良是完全可行的，是農(nóng)作物誘變育種的新興領(lǐng)域和重要手段。

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