博士学位论文大白菜核基因雄性不育性的研究(编辑修改稿)

博士学位论文大白菜核基因雄性不育性的研究(编辑修改稿)内容摘要：

育基因（ ms） 控制的雄性不育性不育株基因型为“ msms” ，它与正常可育品种（ MsMs） 杂交第一代（ Msms） 是正常可育的，也就是说任何品种都是它的恢复系。 但是，隐性核不育材料找不到典型的保持系，它只能从 F1杂合可育株（ Msms） 的自交后代中得到四分之一的不育株（ Msms ○ 1/4Msms, 2/4Msms,1/4msms） ,或让 F1的杂合可育株（Ｍ sms） 与不育株（ msms） 回交，从后代得到二分之一的不育株（ msms Msms→ 1/2msms,1/2Msms）。 显性核不育虽不及隐性核不育普遍，但是，截止目前，也至少在 21 个属 24 个植物种中发现了显性核不育现象 [19]。 显性核不育的显性不育基因（ Ms） 总是处于杂合状态（ Msms） 与正常可育品种（ msms） 杂交第一代（ 1/2Msms,1/2msms） 有一半不育株，一半可育株。 显性核不育材料既没有典型的恢复系，也没有典型的保持系。 显性核不育与隐性核不育有许多相似的遗传特征。 例如，测交筛选保持系时，两者都仅能获得不育株率稳定在 50%的不育系统。 但是，两者也有两个明显的差别：①显 性核不育测交 F1有育性分离；隐性核不育测交 F1全部可育， F2才出现育性分离。 ②显性核不育系统内的可育株自交后代全部正常可育，而隐性核不育系统内的可育株自交后代有育性分离。 胞质不育型的不育性由细胞质不育基因与细胞核不育基因（一对或多对）互作控制。 由胞质不育基因“ S”与隐性核不育基因“ msms”互作控制的雄性不育性，经测交筛选可以获得稳定遗传的胞质不育系 S（ msms）及其相应的保持系 N（ msms）和恢复系 S（ MsMs），实现三系配套。 目前已经获得的大白菜 [Brassica campestris, (Lour)Olsson,AA,2n=20]雄性不育材料可分成两类：一类是发现于大白菜中的核基因雄文献综述 8 性不育材料主类是通过远缘杂交及回交转育的异源胞质雄性不育材料。 异源胞质雄性不育材料的不育胞质来自萝卜（ Raphanus sativus,L.,OO,2n=18） 、芥菜（ Brassica juncea Coss,AABB,2n=36 ） 和甘 蓝 型 油菜 （ Brassica napus L.,AACC,2n=38）。 萝卜不育胞质最早来自小仑 Ogura(1968)发现的日本萝卜雄性不育系该不育系花蕾瘦小、 花柱畸形。 花粉退化开始于小孢子发育的早期，花粉败育与花药绒毡层的早期崩溃有密切关系；不育性由一对隐性核基因“ msms”和胞质不育基因“ S”互作控制；已经查明，所有的日本萝卜品种都拥有纯合隐性不育基因“ msms”，无恢复基因“ Ms”。 Bon(1975， 1977)将这一不育源引入法国后，与欧洲萝卜测交，筛选到了保持系，同时还发现了育性恢复基因。 Bannerot 等（ 1974）采用“远缘杂交→幼胚培养→连续回交”方法，成功地将甘监（ Brassica oleracea L.,CC,2n=18）的细胞核导入日本萝卜不育细胞质中，获得了甘蓝异源胞质雄性不育材料。 该不育材料幼苗培养在 12 以下时，叶片黄化。 黄化程度因轮回亲本不同而导师。 Bannerot（ 1977）采用同样方法还育成了具有 Ogura 不育胞质的甘蓝型油菜雄性不育系。 Williams 和Heyn(1980)用 Banot转育的甘蓝型油菜不育系与白菜型沙逊（ sarson） 油菜（ Brassica campestris L.,AA,2n=20） 杂交及回交，育成了 Ogura 胞质白菜型油菜雄性不育系，又转成了小白菜（ L.,(L)Makino.,AA,2n=20） 和大白菜雄性不育系。 李光池等（ 1987）采用远缘杂交及回交方法，将大白菜细胞核导入“王兆红”萝卜不育细胞质中，获得了新的萝卜不育细胞质源的大白菜雄性不育材料。 目前获得的这几份萝卜不育胞质大白菜雄性不育材料，均为彻底的雄性不育。 其雄蕊深度退化，花丝短缩，花药瘦小、无花粉。 转育早期蕊代材料的雄蕊 呈花瓣状，蜜腺都有不同程序的退化。 花粉败育于四分体至单核花粉早期，退化花药的绒毡层细胞呈现异常。 被测试过的所有白菜品种都是其保持系，在白菜中未找 到恢复基因。 这种不育系属于属间异核质杂种，由于核质不协调，导致这类不育系黄化、蜜腺退化、雌蕊也有不同程度的退化。 黄化以苗期最重，黄化程序对低温十分敏感。 黄化防碍了光合作用，致使植株生长缓慢，产量降低。 由于蜜腺退化，使化朵对传粉昆虫的吸引力下降，导致自然结籽率较低。 十几年来，国内外诸多学者采用广泛测交筛选及连续回交方法，试图改进上述不良性状，并取得了一定进展，但几乎所有报道都认为连续回交选择不能完全消除黄化和蜜腺退化现象。 Paulmann 等（ 1988）应用染色体技术改良萝卜不育胞质甘蓝型油菜雄性不育系。 他们先 用萝卜不育系（ OO， 2n=18）与甘蓝型油菜（ AACC， 2n=38）杂交，获得异源六倍体杂种（ AACCOO， 2n=56） 后，使该杂种与白菜（ AA， 2n=20）或甘蓝（ CC， 2n=18）杂交，增加萝卜染色体与甘蓝型油菜染色体的异源联会机会。 然后，再改用甘蓝型油菜作轮回父本连续回交，获得了不内化的萝卜胞质甘蓝型油菜不育材料。 (Peelletier 等 1985）以萝卜胞质甘蓝型油菜不育株与正常保持系的原生质体融合，在再生植株中筛选到了不缺绿植株。 Jourdan 等（ 1989）用萝卜胞质的花椰菜沈阳农业大学博士学位论文 9 （ , Planch,CC,2n=18） 不育系与白菜型油菜进行原生质体融合，合成了体细胞杂种（ AACC， 2n=38），获得了 5 株不黄化不育株。 Bornman 等（ 1985）采用体细胞非对称融合法获得了含萝卜线粒体，甘蓝型油菜叶绿全和细胞核的不黄化雄性不育株。 看来利用现代生物技术手段，解决这类不育材料的黄化问题有一定的希望。 但是，迄今未见可利用的不黄化萝卜胞质大白菜雄性不育系选育成功的报道。 自 1980 年起，柯桂兰等（ 1992）试验转育甘蓝型油菜“ Polima” 胞质不育源。 该不育源是傅廷栋（ 1981）在甘蓝型油菜品种“ Polima” 中发现的。 其不育性受温度影响较大，因保持系不同，有的对高温敏感，有的对低温敏感，有的对温度不敏感。 柯桂兰等以“ Polima” 不育油菜（ AACC， 2n=36）为母本，与大白菜杂交获得种间杂种 F1，然后以 F1为母本分别授以大白菜和甘蓝花粉，得到 BC1和三交种 F1[(AACCAA )CC]。 用三交种 F1为母本与大白菜自交系 3411— 7 连续回交 4 代，获得的后代（ BC4）核内染色体已全部被白菜所替代（ AA， 2n=20），经济性状与保持系相似，不育性基本稳定。 该不育系（ CMS3411— 7）不育株率 100%，不育度 95%以上，不黄化，蜜腺发育正常，有正常结籽能力 [52]。 剧保关系研究表晨，在大白菜中既有保持材料，又有恢复材料。 黄裕蜀等（ 1995）向大白菜中转育甘蓝型油菜“三天系”不育细胞质也获得了成菌，育成了具有甘蓝型油菜“三天系”不育细胞质的大白菜“二平桩”雄性不育系和“早皇白”雄性不育系。 这两个不育系的不育株率均可育花粉。 上述两类具有甘蓝型油菜不育胞质的大白菜异源胞质雄性不育系（ CMS3411— 7和早皇白等）都已用于配制杂交种。 十字花科植物核基因雄性不育性最早见于 Tokumasu(1951)的报道，他在日本萝卜中首先找到了核不育材料，并发现不育性受一对隐性基因（ msms）控制。 随后，在青花菜（ Austeg and Moore,1954） 、普通甘蓝（ Kototani and Yamada,1958。 Nishi and Hiraoka,1957。 Rundfeldt,1960） 、抱子甘蓝（ Johnson,1958。 Niwuwhof,1961） 、菜花(Borchers,1966。 Nieuwhof,1961。 Rundfeldt,1960)、折菜型褐籽和黄籽沙逊油菜（ Chowdury and Das,1966。 Das and Pandey,1961） 、甘蓝型油菜（ Heyn,1973） 中均发现了单隐性核基因雄性不育材料。 大白菜核基因雄性不育最早见过于辽宁农学院（沈阳农业大学前身， 1974 的公开报道，他们在“小青口”、“二青帮”、“青帮河头”等品种中发现了核不育材料，测交筛选获得了不育株率稳定在 50%左右的不育系统。 这种不育系统内的不育株与可育株交配，后代不育析与可育株 1:1 分离，同一系统既作不育系（指不育株），又作保持系（指可育株），一系两用，因此称作雄性不育“两用系”。 此后，北京市农科院（ 1978），钮心格等（ 1980），韦顺恋等（ 1981）还育成了小白菜“矮脚黄”雄性不育“两用系”。 用“两用系”配制杂交种，必须在开花授粉前拔除“两用系”内的可育株，因此制种成本较高，大面积制种时可育株很难彻底拔除，杂交种的纯度难以保证。 尽管如此，在可利用的具有 100%不育株率的大白菜雄性不育系育成之前，“两用系”已经用于大规模配制杂交种。 文献综述 10 关于大白菜雄性不育“两用系“不育性的遗传，多数研究认为受一对隐性基因控制，遗传模式为：“ msms（不育株） Msms（可育株）→ 1/2msms（不育株）， 1/2Msms（可 育株）”。 Van Der Meer(1987)报道了大白菜单显性核基因控制的雄性不育性，在大白菜“ Granaat” 与小白菜“ pakchoi” 的杂交后代中发现了 1 株雄性不育株。 用另一大白菜品种（ Mounment） 可育株给基授粉得到 BC1， BC1中不育株 /可育株 =15/17； BC2中不育株/可育株 =10/11；几乎所有的轮回亲本（ Mounment） 自交后代完全是可育的。 X2 测验回交后代符合 1:1 分离，因而断定不育性受一对显性基因控制，遗传模式为：“ Msms（不育株） msms(可育株 )→ 1/2Msms(不育株 )， 1/2msms（可育株）”。 在大白菜核不育系选育过程中，许多学者都发现不育株测交后代经常出现不符合“ 1:1”，“ 1:2”，甚至极端小比例分离（远小于“ 4:1”），单隐性和单显性基因都不能解释上述分离现象。 沈阳农业学院（沈阳农业大学前身， 1978）首先意识到核不育性可能受两对或两对以上基因控制，认为“闭药 I型”的不育性由两对隐性基因（ rf1和 rf2）控制，不育株是两对隐性不育在因的纯合体（ rf1rf1rf2rf2） ；“闭药Ⅱ型”，的不育性除与上述两对隐性不育在因的作用有关外，还受另一对基因的影响，第三对 基因的作用与前两对是独立重叠的。 隐性不育基因 rf1和 rf2还可能与纯合致死基因 l1,l2,等紧密连锁，由于平衡致死，使可育株自交“ 1:2” 或“ 2:1”分离。 在此之前，他们还发现了个别不育材料测交第一代有近于 100%的不育株率，但是继续回交后又恢复可育或部分可育，即不育性“临时保持”现象。 遗憾的是，其后未能对这种现象作进一步深入分析。 李树林等（ 1985）用 8 个甘蓝型油菜“两型系”（即“两用系”）与 74 个可育品系杂交， F1有育性分离的组合占 %，并获得了 6个全不育组合（占 %），据此认为甘蓝型油菜的 雄性不育性受显性核基因控制。 由于“两型系”可育株自交“ 3:1” 分离或“ 13:3”分离（未作验证），故认为不育性受控于两对核基因，并假设基中一对基因对另一对基因起上位作用，提出了甘蓝型油菜“核基因互作”雄性不育性遗传假说。 根据这一假说，“ Ms” 为显性不育基因，“ Rf” 不“ Ms” 的显性上位基因。 不育性临时保持现象遗传模式如图 1 所示。 以这一模式为指导，很快筛选到了临时保持系，育成了具有 100%不育株率的核基因雄性不育系并进一步采用测交方法对核基因互作假说进行了验证。 由该不育系配成的甘蓝型油菜杂交种已经生产上推广 应用。 核基因互作雄性不育性遗传模式的提出，是甘蓝型油菜，乃至整个植物核基因雄性不育研究历史上的重大突破。 它从理论上阐明了核不育材料临时保持现象的柚是，解决了核基因雄性不育性利用的难题。 张书芳等（ 1990）首先在大白菜中发现了类似的核基因雄性不育性遗传机制，在大白菜地方品种“万泉青帮”中发现了显性不育基因（ Sp）及其显性上位基因（ Ms） ,提出了大白菜显性不育与显性上位在因互作雄性不育性遗传模式（图 2），并育成了具有 100%不育株率的核基因互作型雄性不育系 88— 1A。 沈阳农业大学博士学位论文 11 雄性不育“两型系” 临时保持系 AB line temporary maintainer line MsMsrfrf MsMsRfrf msmsrfrf 不育株 可育株 （系内交配） sterile plants fertile plants (innerline (兄妹交 ) pollinatios） （ siblings） 1/2MsMsRfrf 1/2MsMsrfrf smsrfrf 可育株 不育株 fertile plants sterile plants。