甘蓝雄性不育的研究及进展片.ppt

甘蓝雄性不育的研究及利用 一、背景介绍 二、甘蓝雄性不育的分类 三、甘蓝雄性不育系的来源 四、甘蓝雄性不育的基础研究 五、甘蓝雄性不育的选育 六、甘蓝雄性不育的育种应用 七、今后研究中需要解决的问题 八、展望 一 背景介绍 甘蓝 属十字花科 （ Cruciferae）芸薹属 （ Brassica ）的一二 年生蔬菜，是栽培历 史最长、面积最大的 蔬菜之一。 甘蓝类蔬菜风味品质独 特，含丰富的维生素、 蛋白质和矿物质等营养 成分，其维生素 C的含 量更为蔬菜之首。 甘蓝杂种优势明显，为充分利用其 杂种优势，主要育种途径有 自交不亲 和系制种法 和 雄性不育系制种法 。 自交不亲和系制 种法 是利用优良的 自交不亲和系作母 本与父本系杂交得 杂种一代 ; 雄性不 育系制种法 是利 用不育系和父本系 自由授粉得杂种一 代。 雄性不育系制种 法 成本低、纯度高， 而且克服了自交不亲 和系制种法中自交亲 本生活力退化的缺点 因此 雄性不育的研究 受到育种工作者的高 度重视。 二 甘蓝雄性不育的分类 根据遗传特点，可遗传 的雄性不育可分为 细 胞核雄性不育 （即 雄性不育性由核基因 控制，包括显性雄性 不育和隐性雄性不育） 和 细胞质雄性不 育（ 即雄性不育性取 决于细胞质基因） 2种 类型。 三 甘蓝雄性不育系的来源 甘蓝雄性不育系 主要来自于 自 然突变、品种 间的杂交和回 交、原生质体 融合以及理化 诱变等。 例如： 1.Pearson用黑芥为母本与青花菜杂交，再用 青花菜做轮回父本回交，在回交 3 代改用结 球甘蓝为父本杂交，得甘蓝核不育系 ; 2.Bannerot 等在 1974年将 Ogura萝卜雄性不 育材料与结球甘蓝杂交，再连续回交，获 得萝卜细胞质结球甘蓝不育系。 3.Kirti等通过原生质体融 合的方法得到了苗期 低温不黄化的 Oug CMS甘蓝不育系 ; 4.Jourdan 通过萝卜胞质 花椰菜不育系与抗阿 拉津的甘蓝型油菜进 行原生质体融合获得 抗阿拉津 Oug CMS的 甘蓝类蔬菜。 5. 方智远等于 1979春在甘蓝材料 79- 399 的自然群体中发现雄性不育株 79- 399-3 。经测交及自交，观察后代分 离情况，发现该材料育性主要为一对 显性核基因控制，并有修饰基因起作 用。 目前已选 318P5 ， 99Z522-6等 20多份 纯合显性不育系。 利用这些雄性不育 系与优良自交系杂 交，目前已经选育 出中甘 16号、中甘 17号等甘蓝新品种。 四 甘蓝雄性不育的基础研究 1.细胞学研究 甘蓝的小孢子形成一般要经过单核期、双 核期和三核期等几个时期。 刘玉梅等以甘蓝 DGMS 材料为对 象的研究表明， 甘蓝显性雄不育 花药败育最早发 生在花粉母细胞 早期，败育高峰 期在花粉母细胞 减数分裂前期至 小孢子单核期。 败育的主要特征是 : (1)细胞核、内质网、质体、线粒体等结 构被破坏或解体 ; (2)部分花粉母细胞减数分裂异常 ; (3)花粉母细胞和小孢子外被一层很厚的 膜状物包被，生长发育异常 ; (4)绒毡层提前解体 ; (5)四分体不能分开。 许忠民等以 Ogura胞质甘蓝雄性不 育系 CMS158 及其保持系 B158为对象 的解剖观察比较表明 : 甘蓝胞质雄性不 育系和保持系小孢子发育有明显不同， 不育系 CMS158 小孢子的败育发生在 四分体至单核花粉期，相比于可育花 粉，不育系的绒毡层细胞高度液泡化， 小孢子受到挤压，导致其相互粘连， 不能形成有生活力的花粉粒以致败育 。 2 生理生化研究 自 20世纪 50年 代起，人们先后对 植物雄性不育的生 理生化机制进行了 研究，结果表明雄 性不育表达和实现 过程中在酶系统、 物质和能量代谢系 统以及激素系统上 的变化有着内在联 系。 Sawhney 等 (1994) 在总结植物激素与 雄性不育的关系时 指出 : IAA 含量的增 加， ABA水平的提 高以及 GAs 和 CTKs含量的降低 会 诱发大多数植物产 生雄性不育。 甘蓝花粉母细胞早期或后期至小孢 子二核期，不育花蕾中的 IAA 、 GA3 、 ZR含量均明显低于可育花蕾，小孢子 二核至成熟花粉期， IAA 、 GA3 含量 则明显低于可育花蕾， ZR的含量仍然 高于可育花蕾，意味着 : 甘蓝细胞核显 性雄性不育败育与花蕾小孢子二核期 以前 IAA 、 GA3、 ZR的亏缺密切相关。 植物雄性不育与脯氨酸关系的研究 很多，多数研究者认为不育花药内 缺乏脯氨酸与不育性关系密切。 脯氨酸 在甘蓝不育花蕾氨基酸 总量中所占的比例为 4.6%，其含量 在甘蓝花蕾发育过程中的呈现动态 变化，在小孢子二核花粉期不育花 蕾的含量明显低于可育花蕾。 3 遗传研究和分子标记 甘蓝上雄性不育分子标记的研究主 要集中在筛选与雄性不育连锁的 RAPD、 RFLP分子标记方面。 甘蓝显性核不育基因 DGMS 是中 国农业科学院方智远院士首次发现的 不育类型，并且已经在甘蓝的杂种优 势中加以利用。 王晓武等采 用集群分析 （ BSA ）法进行 了甘蓝显性雄性 不育基因连锁的 分子标记研究， 筛选并获得了与 该不育基因遗传 距离为 7.148cM 的 RAPD 标记。 娄平等利用 DH群体将显性核不育基 因连锁标记 MS3247定位于 DH群体第 四连锁群上。 刘玉梅等运用 RFLP技术，获得最小 遗传距离为 1.787cM 的 RFLP连锁标记 pBN11 。 Wang 等 (2005) 将 DGMS 基因间接定位于 甘蓝第 3 号染色 体，比较基因组 研究发现这一区 段对应于拟南芥 第 5 号染色体的 顶部。 娄平等也通过 cDNA 一 ALFP差异 显示技术对显性不育基因的表达进行 了研究并获得 24个差异表达片段，测 序分析表明 :显性不育基因的表达与果 胶甲醋酶，果胶裂解酶，硫氧环蛋白， 快速碱化因子以及脯氨酸富足蛋自表 达受抑制有关，从而在分子水平上对 甘蓝显性不育的基因调控有了较为深 入的认识。 RFLP 标记是基因组研究中使用最 普遍的分子标记之一，重复性好，可 信度高。但 RFLP分析耗时长，需放射 同位素检测，费用较高，因而在一定 程度上限制了 RFLP标记在育种上的广 泛应用。 与 RFLP、 RAPD 等相比， SSR 在 基因组中具有丰富的分布，多态性高， 稳定性好，操作简便易行，因此该标 记技术越来越受到人们的重视。 刘玉梅等应用 SSR 标记，采用集群 分析法进行了甘蓝雄性不育基因连锁 的分子标记研究，在 398 对 SSR 引物 中，仅引物 0113C03 在 397 、 398 两 个回交群体中都表现出差异片段，进 一步研究发现 : 该标记的 2 个回交群体 中与甘蓝显性雄性不育基因间的连锁 距离分别为 4.3cM 、 8.94cM。 五 甘蓝雄性不育的选育 1 甘蓝核雄性不育系的选育 研究表明，甘蓝显性雄不育材料 DGMS79-399-3的不育性除受主效基 因 DGMS 399-3 控制外，还受修饰基 因的影响。 因此，部分雄性不育株存在环境敏 感性。在微量花粉不育株自交后代中， 可分离出显性不育基因纯合的雄性不 育株，用纯合显性不育株作母本与一 般可育自交系杂交，即可获得不育株 率达 100%的显性雄性不育系。 方智远等利用回交转育方法，以 25个不同类型甘蓝自交系作父本进行 显性雄性不育系的转育，鉴定回交、 测交组合 150 多份。王晓武等通过连 续回交、自交及测交等步骤，结合分 子标记辅助选择，先后在以不同类型 自交系作父本的回交后代中，鉴定出 纯合显性雄性不育株 69个。 可采用以下 3 种方法选育优良纯合显性雄性 不育系 : (1) 以不育性敏感的不育株为母本，经济 性状优良且配合力好的自交系为父本，连 续回交 5 代以上，选敏感不育株自交 ; (2) 选择经济性状优良育性敏感的不育植 株连续自交 ; (3)将不育株与优良自交系先杂交，然后 在其后代中选经济性状优良不育性敏感的 不育株连续自交。 2 甘蓝胞质雄性不育系的选育 方智远等以经济性状优良且较整齐稳 定的胞质不育系为母本，与不同类型优良 甘蓝自交系杂交配制了 50多个杂交组合， 鉴定结果表明 : 比较突出的是用 CMS R37014 与自交系 8180配制的新品种中甘 22，在秋季种植时表现优质、抗病、丰产， 生长势及产量与用保持系 ( 回交父本 ) 配制 的杂交组合基本一致，明显优于用 CMS R27014配制的同类组合。 六 甘蓝雄性不育的育种应用 近 50年来随 着对甘蓝雄性不 育的不断研究， 国内外研究者已 经开发出了许多 甘蓝雄性不育材 料，但是由于遗 传缺陷，其中很 多类型难以应用。 隐性核不育类型的生产应用限制来源于其配 制杂种一代时需人工去除 50% 的可育株，因此 利用效率不高。由于抱子甘蓝较易进行无性繁殖， Ruffino-Chable(1993)利用无性繁殖扩繁甘蓝纯 合雄性不育植株，从而成功地将 一个甘蓝隐性 不育和一个显性不育类型分别应用于商业杂交种 的生产。 我国显性核不育类型除受显性 不育基因控制外，还受修饰基因的 影响。 因此，部分雄性不育株存在环 境敏感性，即在一定遗传背景和环 境条件下，有些不育株可能出现少 量具生活力的花粉。 方智远等根据这一特性，在微量花粉不 育株自交后代中，鉴定出显性不育基因纯 合的雄性不育株，进而利用组织培养进行 快繁，用纯合显性不育株作母本与可育保 持系杂交，获得了不育株率达 100%的显性 雄性不育系，并已陆续配制出中甘 16、 17、 18、 19和 21号等 5 个甘蓝新品种，从而使 我国结球甘蓝显性不育利用取得了重大的 突破。 甘蓝雄性不育的应 用研究来源于对其机 理研究的突破性进展。 随着人们对不同类型 甘蓝雄性不育材料及 其分子机理更加深入 的研究与完善，甘蓝 雄性不育的选育效率 肯定会大幅度提高， 进一步实现雄性不育 性基因的人工调控也 为时不远，从而推动 甘蓝雄性不育在甘蓝 育种中的广泛应用。 七 今后的研究中需要解决的问题 当前虽然在胞质 雄性不育、细胞核 雄性不育以及通过 分子生物学技术培 育雄性不育系等方 面的研究取得了一 定的成功，但仍存 在不少的问题需要 做进一步的研究。 1.胞质雄性不育 虽然能获得百分之 百的不育株，但由 于它自身存在的一 系列的缺点对它的 应用构成了严重的 障碍，今后仍需改 进和寻找更好的胞 质不育源，并在研 究中进一步扩大对 回交父本的筛选。 2.而利用显性雄性不育系制种，因其显 性雄性不育基因 在一定的遗传背景下具有 环境敏感的特征，影响因素主要是温度。 为了减少使用该不育材料时由于环境敏感 带来的危险性，需要进一步研究温度与与 该不育性的具体的量化关系。 而且为了增加获得不带环境敏感基因 的甘蓝显性雄性不育系的机会，还需要进 一步研究环境敏感基因的遗传行为。 由隐性雄性不育 基因控制的材料其 侧交后代最多达到 的可育株，如用该 材料配制杂交种， 需拔除 的可育株， 费工费时，实际应 用困难。 而在利用转基因技术把雄性不育基因转 入甘蓝获得雄性不育植株方面，由于基因 的作用点是基因组 ，所表现的雄性不育为 核基因所控制，具有核基因的主要特点， 不育性在后代中表现分离，则将对这种新 种质的直接利用带来一定的困难。因此， 在今后的研究中需加以改善。 八 展望 经过 50多年的 不断探索，甘蓝雄 性不育的应用研究 已取得显著效益， 新品种如雨后春笋 层出不穷，但是其 基础研究还有待进 一步完善。 为了今后更充分地将甘蓝雄性不育应用于优 势育种、基因改良等工作中，进一步加强其基 础研究是十分必要的 : （ 1 ） 甘蓝雄性不育机理尚处于研究中 ，例如不 育性与游离氨基酸的含量的具体关系尚不明确 ; 至于激素诱发雄性不育发生的机制也有待进一 步深入研究。 （ 2 ） 筛选出的理想的与雄性不育性相关的 分子标记还不够充实 ，同时对标记在甘蓝 中表现的特殊性还不明确。在应用过程中， 不少具环境敏感性的不育材料尚需进一步 克服对日照长短、气温高低等环境因子的 影响。 随着分子生物技术的发展，利用基因工程培育 雄性不育系日渐升温。 基础研究是应用的基础，应用是基础研究的目 的，两者相辅相成，相互促进。 我们只有加强对二者的进一步研究和完善，才 能充分发挥甘蓝雄性不育的价值。 谢谢您的批评指正！