離子束誘變雙胚苗水稻的花器性狀及相關分析

黃雅琴++朱慶松+++李盡哲++黃群策

摘要：以離子束誘變所得同源四倍體雙胚苗突變水稻品系、近親系和介導后代為研究材料，對其花粉育性、花器性狀和花器性狀間相關性進行了研究。結果表明，與四倍體雙胚苗品系相比，二倍體雙胚苗品系的正常花粉率、單穗結實率高，花器官偏小，花藥長對單穗結實率貢獻大，無芒率高，芒較短；披堿草介導品系的正常花粉率差異不顯著，花器官較大，柱頭長對單穗結實率貢獻最大，無芒率最低，芒較長；原始親本在各項指標參數中都差異不顯著。

關鍵詞：離子束；雙胚苗；水稻；花粉育性；花器性狀；相關分析；芒

中圖分類號： S511.01文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0089-03

收稿日期：2015-02-06

基金項目：河南省科技前沿基礎研究項目（編號：82300433202）。

作者簡介：黃雅琴（1986—），女，河南信陽人，碩士，講師，主要從事離子束生物效應方面的研究。E-mail：hyaqin88@163.com。

通信作者：李盡哲，碩士，講師，主要從事生物技術方面的研究。E-mail：xynz1688@163.com。雜交水稻育種從研究方法上可以分為三系法、兩系法和一系法[1]。一系法雜交水稻研究的實質就是挖掘無融合生殖種質資源并建立特定的技術程序，以便固定水稻的雜種優勢。前人的研究結果表明，在多倍體水平挖掘水稻潛在利用價值，從中篩選多胚苗材料，進而尋找無融合生殖種質是一條比較有效的途徑[2-4]。20世紀80年代中期發展起來的離子束生物技術具有獨特的技術原理和簡單的操作程序，它在作物育種中的誘變效應和介導作用已經被證實[5]。筆者所在團隊以低能氮離子束為誘變源對同源四倍體水稻進行了誘變，在其后代群體中篩選到具有雙胚苗特征的新材料[6]。同源四倍體水稻具有特殊的生殖發育現象，在小孢子母細胞減數分裂過程的不同階段出現異常現象造成花粉敗育[7]，有性繁殖器官花器結構也不同于二倍體水稻[8]。本研究對1個同源四倍體雙胚苗突變水稻及其2個近親系、1個介導品系材料的花粉育性和花器性狀進行研究，以同源四倍體雙胚苗水稻為材料開展無融合生殖種質挖掘，以推進一系法雜交水稻的選育進程。

1材料與方法

1.1試驗材料

本研究所用材料為同源四倍體雙胚苗突變水稻材料D07-04-01，其近親系D07-02-01和01-04-01，及介導品系DP07-04-01。D07-02-01是以D07-04-01的花粉材料通過花藥培養途徑所獲得的穩定二倍體株系；01-04-01是四倍體原始親本，由它通過離子注入后篩選到具有雙胚苗特征的D07-04-01；以D07-04-01為受體，披堿草總DNA為供體在離子束的介導下轉基因，在后代群體內篩選到四倍體突變單株DP07-04-01。

1.2試驗方法

1.2.1I2-KI法觀察成熟花粉粒的育性在抽穗期，每份材料分別隨機挑選5個生長良好的未花幼穗，在每穗的上、中、下3個部位各取3朵穎花分別制成3個臨時裝片，用解剖針將每3朵穎花的18個花藥剝下放在1張載玻片上，滴1滴1%的I2-KI溶液，再用鑷子擠出花粉。在顯微鏡下放大100倍看 30個標準視野，對成熟花粉粒的育性情況進行統計。根據I2-KI染色后花粉的表現形態可分為典敗、圓敗、染敗、正常4種。典敗花粉粒形態不規則、透明不染色；圓敗花粉粒圓形，透明不染色；染敗花粉粒圓形，不透明或部分透明，輕度染色；正常花粉粒圓形，不透明，染成較均勻的棕黑色。

1.2.2花器性狀的研究在抽穗期，每份材料分別隨機挑選30個生長良好的未花幼穗，在每穗上、中、下3個部位各取3朵穎花，用游標卡尺測量穎花長（x1）、穎花寬（x2），長、寬均測量穎花最長最寬處，精確至0.02 mm，重復3 次。用圖像掃描法測量柱頭長（x4）、柱頭寬（x6）、子房高（x7）、子房寬（x8）、花藥長（x9）和花藥寬（x10）（單位均為mm） 。計算2個2級數據：穎花長寬比（x3）；x4+花柱長=花柱長（x5）。

單穗結實率（y）：成熟期，每份材料隨機取生長發育良好的單穗30個，統計結實數，單穗結實率=（單穗的結實數/總穎花數）×100%。用DPS數據處理軟件進行兩組平均數t檢驗，并分析各性狀的差異顯著性；為了比較不同花器性狀對單穗結實率的貢獻大小，以單穗結實率為依變量，其余10個花器性狀（x1～x10）為自變量，進行逐步回歸分析，分析花器性狀間的相關性。

隨機選取1 000粒稻谷進行芒長的測定，并根據所得數據實際情況將其分成10組，計算每1組的概率。每組的組距為5 mm，組限為0～5 mm、5～10 mm、……、45～50 mm，如芒長恰為5的整數倍，則將其歸入比其小的組限。

2結果與分析

2.1花粉育性的比較

同源四倍體水稻與普通的二倍體水稻相比，在小孢子母細胞減數分裂時，出現了各種不正常分裂的情況，發生于單核小孢子期的敗育表現為典敗，發生于二胞花粉早期的敗育表現為圓敗，發生于二胞花粉晚期或三胞花粉早期的敗育表現為染敗，這些都最終導致了花粉敗育，因而四倍體水稻的結實率要比二倍體水稻低。試驗結果如表1所示，與D07-04-01相比，D07-02-01的典敗、圓敗、染敗分別少3.26百分點、8.41百分點、24.47百分點，正常高出36.14百分點；01-04-01的典敗和正常分別高出6.31百分點、10.82百分點，圓敗和染敗少5.57百分點和11.57百分點；DP07-04-01的典敗、圓敗、正常分別高出1.51百分點、5.01百分點、3.18百分點，染敗少9.7百分點。由此可見，D07-02-01的正常花粉率最高，D07-04-01、01-04-01和DP07-04-01的敗育類型均主要為染敗。

2.2花器性狀的比較

由表2可知，在花器性狀方面，同D07-04-01相比，D07-02-01與其差異顯著或極顯著，其次是DP07-04-01，01-04-01與其差異最小。D07-02-01在研究的11個花器性狀中，與D07-04-01差異達極顯著水平的有穎花長、穎花寬、柱頭長、花柱長+柱頭長、柱頭寬、子房高、子房寬、花藥長、花藥寬和單穗結實率共10個參數，其中僅單穗結實率高出50.33百分點，其他均低；穎花長寬比達顯著差異（P<0.05），少了6.62%，僅為2.96。DP07-04-01的11個花器性狀中僅柱頭寬達到極顯著差異，高出16.48百分點；達到差異顯著水平的有柱頭長和子房寬，分別高出6.67百分點、7.69百分點；其他參數均未達到差異顯著性水平。01-04-01 的11個花器性狀均未達到差異顯著性水平，其中花柱長+柱頭長、子房高、子房寬、花藥寬、穎花長和穎花寬共6個參數低于對照，減少最多的是花藥寬，高達6.12%；柱頭長、柱頭寬、花藥長、穎花長寬比和單穗結實率、共5個參數高于對照，增加最多的是柱頭長，達4.44%。

由以上分析可見，在花器性狀上，二倍體雙胚苗材料與四倍體雙胚苗材料之間的差異十分顯著，可見染色體數目的差異能造成花器性狀的顯著差異；披堿草介導品系由于獲得了披堿草的部分優良特性，抗逆能力強，花器性狀參數增大，柱頭寬大，更容易接受花粉而受孕。

2.3花器性狀間的相關分析

D07-04-01的逐步回歸方程為：

y=0.024 9-0.005 2x2+0.003 3x5-0.007 1x8+0.000 7x9+38.956 2x10（R=0.938 2**，SSE=0.001 1）。

由方程可知，單穗結實率與穎花寬、柱頭長+花柱長、子房寬、花藥長、花藥寬相關，其中與柱頭長+花柱長、花藥長、花藥寬呈正相關，與穎花寬、子房寬呈負相關。單穗結實率與

柱頭長+花柱長、花藥長、花藥寬的偏相關系數分別為0.584 1*、0.861 2**、0.830 3**。由此可見，對單穗結實率的貢獻上，花藥長>花藥寬>柱頭長+花柱長。

D07-02-01的逐步回歸方程為：

y=-0.013 9+0.003 6x4+0.007 2x6-0.002 2x8+28.764 8x9（R=0.924 3**，SSE=0.000 8）。

由方程可知，單穗結實率與柱頭長、柱頭寬、子房寬、花藥長相關，其中與柱頭長、柱頭寬、花藥長呈正相關，與子房寬呈負相關。單穗結實率與柱頭長、柱頭寬、花藥長的偏相關系數分別為0.554 6、0.659 6*、0.692 1*。通過比較偏相關系數大小可知，對單穗結實率的貢獻上，花藥長>柱頭寬>柱頭長。

01-04-01的逐步回歸方程為：

y=0.021 5-0.005 7x3+0.001 4x5+0.012 9x6+40.560 1x9（R=0.957 4*，SSE=0.000 5）。

由方程可知，單穗結實率與穎花長寬比、柱頭長+花柱長、柱頭寬、花藥長相關，其中與柱頭長+花柱長、柱頭寬、花藥長呈正相關，與穎花長寬比呈負相關。單穗結實率與柱頭長+花柱長、柱頭寬、花藥長的偏相關系數分別為0.786 3**、0.742 2*、0.624 5。由此可見，對單穗結實率的貢獻上，柱頭長+花柱長>柱頭寬>花藥長。

DP07-04-01的逐步回歸方程為：

y=-0.014 7-0.001 3x3+0.009 3x4-0.005 2x8+0.001 1x9+44.783 4x10（R=0.968 4**，SSE=0.001 0）。

由方程可知，單穗結實率與穎花長寬比、柱頭長、子房寬、花藥長、花藥寬相關，其中與柱頭長、花藥長、花藥寬呈正相關，與穎花長寬比、子房寬呈負相關。單穗結實率與柱頭長、花藥長、花藥寬的偏相關系數分別為0.8053**、0.7841**、0.6522。由此可見，對單穗結實率的貢獻上，柱頭長>花藥長>花藥寬。

2.4芒的特征比較

觀察每份材料的稻谷后發現并非每粒都有芒，因此它們都屬于“部分有芒型”，有芒的稻谷，芒的長度也大小不一。D07-04-01無芒率為15.79%，有芒率為84.21%，芒長變幅在0.5～28.8 mm；D07-02-01無芒率為67.96%，有芒率為32.04%，芒長變幅在0.5～11.3 mm；01-04-01無芒率為18.74%，有芒率為81.26%，芒長變幅在0.5～26.3 mm；DP07-04-01無芒率為13.45%，有芒率為86.55%，芒長變幅在0.5～29.3 mm。芒長概率分布如圖1所示，它們的概率密度都整體呈下降趨勢，概率密度最大的都是（0～5 mm）這一組，分別為0.394 5、0.789 5、0.402 0和0.362 7，可見芒長≤5 mm的最多。值得注意的是，唯一的一個二倍體雙胚苗水稻品系D07-02-01，它的芒長最大為11.3 mm，因此，15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm這3個組限的概率均為零。從整個稻穗上考察不同長度芒的分布，4個雙胚苗系列材料都具有這樣的特點，即枝梗頂端上部穎花的芒較長，數量少；枝梗下部穎花芒較短，甚至無芒。由此可見，染色體組減半后，無芒率明顯上升，并且芒長縮短，這是有利變異，有利于稻谷的收割和加工。

3結論與討論

離子束生物工程是20世紀80年代在我國興起的，其原理是利用低能離子束注入生物體，質量沉積、能量沉積和電荷交換導致生物材料產生一定的生物學效應。離子束生物技術發展起來后，在農作物育種和遺傳改良上得以廣泛應用。我們利用低能氮離子束對同源四倍體水稻進行注入處理，從其后代群體內中篩選到具有雙胚苗遺傳特性的突變株，通過對D07-04-01、D07-02-01、01-04-01和DP07-04-01這4個雙胚苗系列材料的花粉育性、花器性狀和芒長分布進行比較研究，發現二倍體雙胚苗品系D07-02-01的正常花粉率最高、花器官偏小、單穗結實率最高、花藥長對單穗結實率貢獻最大、無芒率最高、芒較短；DP07-04-01這一披堿草介導品系的花器官較大、柱頭長對單穗結實率貢獻最大、無芒率最低、芒較長；01-04-01這一原始親本與D07-04-01在各項指標參數中都差異不明顯。已進行的苗位和胚位研究發現，D07-02-01的苗位、胚位類型豐富，多胚率高[9]。通過掃描電鏡的觀察發現D07-02-01的堊白粒率、堊白度和堊白大小均最小，稻米的自然橫斷面中部無明顯輻射狀，裂痕少且淺，“粗短形”的不規則多邊形胚乳細胞與淀粉粒分布均勻，多面體狀淀粉粒呈現典型的晶體結構，數目多且排列致密，球形單粒淀粉粒和塊狀不規則的復粒淀粉體數目比較少，相對結晶度高，直鏈淀粉含量低[10]。綜合以上研究認為，二倍體雙胚苗品系D07-02-01雙胚苗頻率高，結實率高，加工品質優良，具有進一步挖掘無融合生殖資源的潛在價值，值得進一步研究開發。

參考文獻：

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