杂种优势分子机理汇报-研究生教学-2013

1、蔬菜雄性不育与杂种优势蔬菜雄性不育与杂种优势 万正杰万正杰 园艺植物生物学教育部重点实验室园艺植物生物学教育部重点实验室 作物遗传改良国家重点实验室作物遗传改良国家重点实验室主要内容主要内容 植物细胞质雄性不育与杂种优势利用植物细胞质雄性不育与杂种优势利用 蔬菜雄性不育与杂种优势蔬菜雄性不育与杂种优势植物杂种优势利用的优点与缺点植物杂种优势利用的优点与缺点一一. . 前前 言言1. 1. 遗传的雄性不育分类：遗传的雄性不育分类：细胞质雄性不育（细胞质雄性不育（cmscms）质核互作不育质核互作不育细胞核雄性不育（细胞核雄性不育（GMSGMS）合并称为质不育或核质合并称为质不育或核质互作不育互作

2、不育二、关于细胞质雄性不育利用二、关于细胞质雄性不育利用2.2.细胞质雄性不育（细胞质雄性不育（cmscms，即核质互作不育）三系关系，即核质互作不育）三系关系或或N（rf2rf2） 父本系父本系S（rf2rf）蔬菜杂交种蔬菜杂交种（F1）收籽作物收籽作物目前我国主要利用的十字花科油菜及蔬菜细胞质雄性目前我国主要利用的十字花科油菜及蔬菜细胞质雄性不育系：不育系： 波里马细胞质雄性不育系（波里马细胞质雄性不育系（Pol cmsPol cms） 华中农大（华中农大（19721972） 陕陕2A2A细胞质雄性不育系（陕细胞质雄性不育系（陕2A cms2A cms） 陕西农垦中心（陕西农垦中心（198

3、01980）欧新欧新A A芥菜型细胞质雄性不育系芥菜型细胞质雄性不育系 云南农科院（云南农科院（19731973） 萝卜细胞质雄性不育系（萝卜细胞质雄性不育系（ogu cmsogu cms） 日本小仑（日本小仑（19681968）芥菜细胞质雄性不育系（芥菜细胞质雄性不育系（ hau cms)hau cms) 华中农大（华中农大（19991999）1关于细胞质鉴定关于细胞质鉴定 鉴定品种细胞质类别的普通遗传学方法鉴定品种细胞质类别的普通遗传学方法, 是用待测细胞质类是用待测细胞质类别的品种别的品种(系系)作母本作母本, 用已有的保持系用已有的保持系N(rfrf)或不育系或不育系S(rfrf)的微

4、量花粉作父本的微量花粉作父本, 做人工去雄杂交，做人工去雄杂交，F1一般可育一般可育, 播种播种F1，自交产生的自交产生的F2种子种子, 开花时鉴定开花时鉴定F2植株的育性表现。植株的育性表现。 如如F2群体育性无分离群体育性无分离 (即全部为可育即全部为可育), 则证明被测定的品种则证明被测定的品种(系系)具有正常可育具有正常可育(N)胞质胞质; 如如F2群体有育性分离群体有育性分离(出现不育株出现不育株),则证明被测定品种则证明被测定品种(系系)具具有不育有不育(S)胞质。其遗传原理如下。胞质。其遗传原理如下。三、关于杂种优势利用研究的几个问题三、关于杂种优势利用研究的几个问题 ？(RfR

5、f) (RfRf) 保持系保持系 N(rfrf) N(rfrf) F1 F1 ？(Rfrf) (Rfrf) 可育可育 F F2 2: :如全可育如全可育, N(RfR, N(RfRf)f)、 N(Rfrf)N(Rfrf)、 N(rfrf), N(rfrf), 为为 N N 胞质。如有不育株出现胞质。如有不育株出现,S(RfRf),S(RfRf)、 S(Rfrf)S(Rfrf)、S(rfrf),S(rfrf),则为则为 S S 胞质。胞质。 如待测品种如待测品种( (系系) )为为 N(rfrf), N(rfrf), 那么那么: : N(rfrf) N(rfrf) 保持系保持系 N(rfrf)N

6、(rfrf) F F1 1 N(rfrf) N(rfrf) 可育可育 F F2 2: N(rfrf): N(rfrf)全部可育全部可育, , 证明为证明为 N N 胞质。胞质。 如有不育株出现，如有不育株出现，S S（RfRfRfRf）、）、S S（RfrfRfrf）、）、S S（rfrfrfrf），则为），则为S S胞质。胞质。2关于细胞质效应研究关于细胞质效应研究 （1）用不育系、保持系与恢复系配制的）用不育系、保持系与恢复系配制的S和和N胞质杂种。胞质杂种。 不育系不育系S（rfrf）恢复系恢复系N或或S（RfRf）S（Rfrf）不育胞）不育胞质杂种。质杂种。 保持系保持系N（rfrf）

7、去雄）去雄恢复系恢复系N或或S（RfRf）N（Rfrf）可育胞质杂种。可育胞质杂种。 （2）用保持系与）用保持系与S胞质的恢复系正反交配制胞质的恢复系正反交配制S和和N胞质杂种。胞质杂种。 保持系保持系N（rfrf）去雄）去雄恢复系恢复系S（RfRf）N（Rfrf）可育）可育胞质杂种。胞质杂种。 恢复系恢复系S（RfRf）去雄）去雄保持系保持系N（rfrf）S（Rfrf）不育胞）不育胞质杂种。质杂种。 以上后一方法更为可靠。以上后一方法更为可靠。3 3关于不育系稳定性鉴定问题（瑞典关于不育系稳定性鉴定问题（瑞典Svalof-weibull ABSvalof-weibull AB）表 表 1 1

8、 不育系的稳定性鉴定不育系的稳定性鉴定 不育系名称不育系名称 CK CK 19971997 年 年 378A378A 19971997 年 年 1141A1141A 3 3 年平均年平均 285A285A 19971997 年 年 30A30A 三年平均三年平均 110A110A 19971997 年 年 46A46A 19971997 年 年 种子产量种子产量 2031g2031g 479g479g 2g 2g 5g 5g 10g10g 95g95g 13g13g 密封温室密封温室(10.3M(10.3M2 2) )，各不育系种，各不育系种170170株，放蜂，收获各不育株，放蜂，收获各不育

9、系所结种子产量，确定其不育系的稳定性。结籽产量愈低系所结种子产量，确定其不育系的稳定性。结籽产量愈低, ,则则该不育系的不育性愈彻底。该不育系的不育性愈彻底。 表表44 4关于制种行比之研究关于制种行比之研究: : 设立种设立种1 1行恢复系行恢复系, ,两边各种两边各种1010行不行不 育系或中间一圈恢复系，外面育系或中间一圈恢复系，外面1010圈不育系为一隔离区圈不育系为一隔离区( (最好最好 同时设同时设2-32-3个这样的隔离区个这样的隔离区) )。10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1010 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4

10、 5 6 7 8 9 10 注：代表不育系，代表恢复系注：代表不育系，代表恢复系 制种行比研究的试验设计制种行比研究的试验设计 收获时按行收： （收获时按行收： （1 1）计算各行产量及单株产量； （）计算各行产量及单株产量； （2 2）收获种）收获种子，按行播种，分别计算各行恢复率。子，按行播种，分别计算各行恢复率。 四、讨论四、讨论作物遗传改良历经三次绿色革命作物遗传改良历经三次绿色革命第一次绿色革命：第一次绿色革命：高秆改矮秆。六十年代，矮秆小高秆改矮秆。六十年代，矮秆小麦、水稻。麦、水稻。第二次绿色革命第二次绿色革命：作物杂种优势利用。以高粱（：作物杂种优势利用。以高粱（50年代）、水

11、稻（年代）、水稻（60-70年代）、油菜（年代）、油菜（70-80年代）为年代）为代表的雌雄同花作物三系杂种的育成和大面积应用。代表的雌雄同花作物三系杂种的育成和大面积应用。1. 1. 关于绿色革命关于绿色革命 小麦矮化育种和其他主要农作物的矮化育种一起被称为小麦矮化育种和其他主要农作物的矮化育种一起被称为“第一第一次绿色革命次绿色革命” 诺尔曼诺尔曼布劳克发明一种高产、矮秆、抗病力强的小麦良种布劳克发明一种高产、矮秆、抗病力强的小麦良种，并把它推广到第三世界许多国家，对这些国家的粮食增产做出了很大贡献。 当年诺贝尔奖评选委员会给他的颁奖词是：“世界上没有一个像他这样年龄（1914年3月出生）

12、的人，在为一个饥饿的世界提供粮食方面，做出了如此巨大的贡献，我们之所以选择他，是因为我们希望提供粮食将会有助于世界和平。而杂交水稻的培育成功，国际上称为是而杂交水稻的培育成功，国际上称为是“第二次绿色革命第二次绿色革命” 西方世界称，杂交水稻是“东方魔稻”。袁隆平的杂交水稻，不仅解决了占全世界1/4人口的中国人的吃饭问题，同时还在第三世界推广，连美国等世界发达国家也在推广种植，可谓真正造福于全人类。袁隆平也因之成为世界“绿色革命”的先锋。野生稻野生稻杂交稻杂交稻水稻杂种优势成功利用归功于普通野水稻杂种优势成功利用归功于普通野生稻细胞质雄性不育基因的发现生稻细胞质雄性不育基因的发现植物功能基因组

13、学研究进展迅速植物功能基因组学研究进展迅速完成了水稻基因组测序完成了水稻基因组测序为分离和发掘新基因奠定了基础为分离和发掘新基因奠定了基础领先水平：稻、油菜、棉花、小米、小麦、大豆、胡麻。领先水平：稻、油菜、棉花、小米、小麦、大豆、胡麻。先进水平：玉米先进水平：玉米水稻：水稻：第一个大面积应用杂交种的国家，占水稻面积第一个大面积应用杂交种的国家，占水稻面积50%50%油菜：油菜：第一个大面积应用杂交种的国家，占油菜面积第一个大面积应用杂交种的国家，占油菜面积70%70%棉花：在海南繁殖不育系棉花：在海南繁殖不育系( (黄芽、可育黄芽、可育););在大陆雄性在大陆雄性 不育制种（中国农科院棉花所

14、等）。不育制种（中国农科院棉花所等）。大豆：吉林农科院等单位首先实现三系配套，优势大豆：吉林农科院等单位首先实现三系配套，优势很很 强。关键在提高制种产量，强。关键在提高制种产量，1:201:20左右。左右。小麦：北京农科院等单位的光敏不育系小麦：北京农科院等单位的光敏不育系BS201BS201、BS366.BS366.在北京（长日照，可育）繁殖不育系；在北在北京（长日照，可育）繁殖不育系；在北纬纬3030（安徽阜阳）播种可表现不育，可制种。（安徽阜阳）播种可表现不育，可制种。杂交种已大面积示范。杂交种已大面积示范。胡麻（亚麻）：甘肃农科院利用生态型不育系，已胡麻（亚麻）：甘肃农科院利用生态型

15、不育系，已审定几个杂交种，正在示范、推广中。审定几个杂交种，正在示范、推广中。杂种优势利用已在玉米、水稻、油菜、高粱、向杂种优势利用已在玉米、水稻、油菜、高粱、向日葵、甜菜普及，正向小米、棉花、小麦、大豆、日葵、甜菜普及，正向小米、棉花、小麦、大豆、胡麻、芝麻等大田作物发展。胡麻、芝麻等大田作物发展。3232种蔬菜（甘蓝、大白菜、萝卜、辣椒、黄瓜、种蔬菜（甘蓝、大白菜、萝卜、辣椒、黄瓜、番茄等）番茄等）70-90%70-90%是杂交种。是杂交种。第三次绿色革命第三次绿色革命：生物技术应用于作物改良：组：生物技术应用于作物改良：组织培养、转基因及分子标记辅助选择的应用。织培养、转基因及分子标记辅

16、助选择的应用。2.2.品质性状与杂种优势品质性状与杂种优势 营养体优势营养体优势 种子产量优势种子产量优势 品质性状优势品质性状优势 9 9个油菜杂种的平均优势率个油菜杂种的平均优势率: : 营养体性状为营养体性状为 25.05-30.51%,25.05-30.51%,单株产量为单株产量为7.92%,7.92%,含油量为含油量为3.67%(3.67%(张张书芬书芬,1992),1992),蛋白质含量为负优势蛋白质含量为负优势(Serney, 1993)(Serney, 1993)。 高粱平均优势率高粱平均优势率: : 4 4个产量性状为个产量性状为43.3%,443.3%,4个个品质性状为品质

17、性状为- 13.02%(- 13.02%(张文毅张文毅,1983),1983)。 小麦平均优势率：小麦平均优势率：籽粒产量为籽粒产量为22.0122.01，籽粒，籽粒蛋白质含量为蛋白质含量为-3.40-3.40，湿面筋含量，湿面筋含量-1.99-1.99（范濂，（范濂，19881988） 蔬菜营养体平均优势率：蔬菜营养体平均优势率：为为28%28%，蛋白质含量，蛋白质含量为为-3.12-3.12. .品质性状杂种优势弱的原因品质性状杂种优势弱的原因: : 不但涉及不但涉及“源流库源流库”, , 而且涉及而且涉及“库库”中中的物质转化问题的物质转化问题, ,生理、生化过程更复杂。生理、生化过程更

18、复杂。 品质性状有其特点品质性状有其特点: : (1) (1) 由人的需要决定优劣由人的需要决定优劣; ; (2) (2) 品质性状人工选择和自然选择方向往往不品质性状人工选择和自然选择方向往往不一致一致, ,因此因此, , 野生种的优质资源较少。野生种的优质资源较少。 作者查阅了有关资料发现：主效基因控制的优质性状，绝作者查阅了有关资料发现：主效基因控制的优质性状，绝大多数为隐性基因控制，如：大多数为隐性基因控制，如：作物作物性状性状基因基因油菜油菜低芥酸低芥酸隐性隐性, el1el2 油菜油菜低硫苷低硫苷隐性隐性, g1g2g3花生花生高油酸高油酸隐性（隐性（2对）对）棉花棉花无棉毒素无棉

19、毒素隐性隐性棉花棉花高赖氨酸高赖氨酸隐性隐性棉花棉花高油分高油分隐性隐性玉米玉米高赖氨酸高赖氨酸隐性隐性玉米玉米高含油量高含油量隐性隐性高粱高粱高赖氨酸高赖氨酸隐性隐性高粱高粱低单宁低单宁隐性隐性柿子柿子低单宁低单宁隐性隐性小麦小麦高高赖氨酸赖氨酸隐性隐性表表5 不同作物品质性状的主效基因不同作物品质性状的主效基因 为什么？因为野生种一般为显性性状，品质差，为什么？因为野生种一般为显性性状，品质差，AA AA 基因突变为基因突变为AaAa，人工选择优质导致，人工选择优质导致aaaa纯合，产生优纯合，产生优 质状。质状。 由于主效基因控制的优质性状多为隐性性状由于主效基因控制的优质性状多为隐性性

20、状因此：因此：（1 1）优质性状不易利用显性效应的杂种优）优质性状不易利用显性效应的杂种优势，优质性状多为弱优势或负优势。势，优质性状多为弱优势或负优势。 （2 2）必须双亲是优质亲本，）必须双亲是优质亲本，F1F1才是优质的。才是优质的。利用优质性状的杂种优势困难要大些，效果也要利用优质性状的杂种优势困难要大些，效果也要小些。小些。3. 3. 抗病性与杂种优势抗病性与杂种优势抗病性与优质性状相反：抗病性与优质性状相反： 抗病性是人工选择方向与自然选择方向抗病性是人工选择方向与自然选择方向一致的性状。一致的性状。 野生种存在的抗病性资源较多。野生种存在的抗病性资源较多。 笔者查阅了有关资料发现

21、：如果主效基笔者查阅了有关资料发现：如果主效基因控制的抗病性因控制的抗病性, , 绝大部分是显性基因控制。绝大部分是显性基因控制。如：如：作物作物性状性状 基因基因油菜油菜抗白锈病抗白锈病3 3对显性基因对显性基因油菜油菜苗期抗黑茎病苗期抗黑茎病1 1对显性基因对显性基因向日葵向日葵抗霜霉病抗霜霉病显性基因显性基因向日葵向日葵抗锈病抗锈病显性基因显性基因向日葵向日葵抗黄萎病抗黄萎病显性基因显性基因棉花棉花抗角斑病抗角斑病显性基因显性基因棉花棉花抗枯萎病抗枯萎病显性基因显性基因棉花棉花病毒性卷叶病病毒性卷叶病显性基因显性基因大豆大豆抗灰斑病抗灰斑病显性基因显性基因大豆大豆抗霜霉病抗霜霉病显性基因

22、显性基因大豆大豆抗细菌性斑点病抗细菌性斑点病显性基因显性基因表表6 6 不同作物主效抗病基因不同作物主效抗病基因 水稻抗白叶枯病（细菌性病害）已经克隆或是精细定水稻抗白叶枯病（细菌性病害）已经克隆或是精细定位的位的1414个抗病基因中有个抗病基因中有1111个为显性，个为显性，3 3个为隐性。个为隐性。 鄂志国等鄂志国等20082008年报道，十个已经分离克隆的稻瘟病年报道，十个已经分离克隆的稻瘟病（真菌性病害）主效抗性基因均为显性。（真菌性病害）主效抗性基因均为显性。 姚景侠等（姚景侠等（19901990）综述了小麦白粉病主效抗性基因研）综述了小麦白粉病主效抗性基因研究，有究，有7 7个为显

23、性，个为显性，1 1个为不完全显性，个为不完全显性，2 2个为隐性。个为隐性。 十字花科蔬菜十字花科蔬菜根肿病定位了根肿病定位了8 8个抗病基因（朴钟云，个抗病基因（朴钟云，20112011年年3 3月报告），除月报告），除1 1个为微效多基因外，个为微效多基因外，7 7个主效个主效基因控制的抗性有基因控制的抗性有5 5个为显性，个为显性，2 2个为不完全显性。个为不完全显性。原因原因: : (1) (1) 只有显性基因控制的抗病性只有显性基因控制的抗病性(RR)(Rr)(RR)(Rr)才能才能 表现出来表现出来, ,如果是隐性基因控制的抗病性如果是隐性基因控制的抗病性 (rr)(rr)，就被

24、自然选择所淘汰。，就被自然选择所淘汰。 (2) (2) 野生种一般抗病性较强野生种一般抗病性较强, ,野生种具有的性野生种具有的性 状多为显性性状。状多为显性性状。 由于主效基因控制的抗病性多为显性。因此利用由于主效基因控制的抗病性多为显性。因此利用F F1 1是解决抗病性问题比选育常规品种更有效、简便。是解决抗病性问题比选育常规品种更有效、简便。 RRRRrrRr(rrRr(抗抗) ) R R1 1R R1 1r r2 2r r2 2r r1 1r r1 1R R2 2R R2 2RR1 1r r1 1R R2 2r r2 2 ( (抗两个生理小种抗两个生理小种) ) RRbb RRbbrr

25、AARrAa (rrAARrAa (抗两种病害抗两种病害) ) 水平抗性（不育系）水平抗性（不育系）垂直抗性（恢复系）垂直抗性（恢复系） F F1 1（抗性强而稳定）（抗性强而稳定）育种上大的突破性成就育种上大的突破性成就决定于关键性基因资源的发现与利用，如矮秆基因，雄不育基因，野败胞质，光敏不育基因等。 作物雄性不育与杂种优势的分子生作物雄性不育与杂种优势的分子生物学基础物学基础国家杂交水稻工程中心（水稻杂种优势机理） 袁隆平北京华大基因（水稻功能基因组与杂种优势） 李加阳华中农业大学（油菜雄性不育的分子机理） 傅廷栋 华中农业大学（水稻QTL与杂种优势） 张启发 复旦大学（水稻发育生物学与

26、杂种优势） 杨金水中国农业大学（小麦雄性不育的机理） 孙其信中国农业大学（玉米杂种优势的机理） 戴景瑞 武汉大学（水稻雄性不育的分子机理） 朱英国 蔬菜雄性不育与杂种优势蔬菜雄性不育与杂种优势-研究单位研究单位 中国农科院花卉蔬菜研究所（甘蓝雄性不育） 沈阳农业大学 （大白菜雄性不育） 浙江大学 （榨菜雄性不育） 华中农业大学 （芥菜雄性不育） 山东省农科院 （洋葱雄性不育） 东北农业大学 （番茄雄性不育） 湖南农业科学院（辣椒雄性不育）主要作物（包括蔬菜）的细胞质雄性主要作物（包括蔬菜）的细胞质雄性不育不育(CMS)类型类型油菜 Pol 、Ogu 、nap、tour水稻 WA、BT、HL玉米

27、 T、C、S、Y高粱 A1 、A2等蔬菜 Pol (1972)、Ogu(1968)、hau(1999) CMS相关的线粒体基因结构特点 都有一段嵌合的阅读框序列（open reading frame, orf ），由线粒体保守基因的部分序列和来源未知的序列组成。 在不育株中，嵌合的阅读框一般与一至多个线粒体基因共转录 。 大部分与CMS相关的orf,是不同的不育细胞质特有的 。 二、二、蔬菜雄性不育与杂种优势蔬菜雄性不育与杂种优势 hau CMSOgu CMStour CMSpol CMS大白菜核不育的复等位基因遗传模式大白菜核不育的复等位基因遗传模式Msf Ms ms目的是为了获得目的是为了

28、获得100%不育系和临时保持系。不育系和临时保持系。1. 核不育基因来源核不育基因来源田间筛选田间筛选转育获得转育获得凑齐三个复等位基因凑齐三个复等位基因2. 核不育复等位基因的转育核不育复等位基因的转育v 利用甲型利用甲型“两用系两用系”和乙型和乙型“两用系两用系”合成新的不育系合成新的不育系实现两系间的基因交流实现两系间的基因交流新甲型新甲型“两用系两用系”临时保持系临时保持系新型不育系新型不育系 “两用系两用系”类型类型 不育株基因型不育株基因型 可育株基因可育株基因型型 甲型甲型“两用系两用系” MsMs MsfMs 乙型乙型“两用系两用系” Msms msms 大白菜甲、乙型大白菜甲

29、、乙型 “两用系两用系” 基因型基因型MsmsMsfMsMsMs MsfMs Msfms Msms继续进行选择继续进行选择MsMs MsfMs Msfms Msms可育系自交可育系自交不育系与不育系与msms植株测植株测交交自交：自交：MsfMs 1 MsfMsf，2 MsfMs，1 MsMsMsfms 1 MsfMsf，2 Msfms，1 msms测交：测交：MsMs msmsMsms + MsmsMsfMs msmsMsfms + MsmsMsfms msmsMsfms + msmsMsms msmsMsms + msmsMsMs MsfMs（甲型（甲型“两用系两用系”）msms Msfm

30、s Msf MsfMsMs msmsMsms + Msmsmsms（新临时保持系）（新临时保持系）Msms（新雄性不育系）（新雄性不育系）甘蓝雄性不育与杂种优势甘蓝雄性不育与杂种优势 目前利用甘蓝显性细胞核雄性不育技术，目前利用甘蓝显性细胞核雄性不育技术，育成了中甘育成了中甘16、中甘、中甘17、中甘、中甘18、中甘、中甘19、中甘、中甘21 等等5 个甘蓝新品种。个甘蓝新品种。 显性核不育技术的重大突破，为甘蓝一代显性核不育技术的重大突破，为甘蓝一代杂交品种选育与制种开辟了一条新途径杂交品种选育与制种开辟了一条新途径。 3. 分子标记技术在遗传育种中的应用 通过亲缘关系和遗传多样性分析，中国农科院蔬菜花卉研究所甘蓝组利用AFLP 技术对111 份甘蓝 的亲缘关系进行了研究。 与特异性状连锁分子标记的获得及分子标记辅助选择。 目前我国利用分子标记技术获得的与特异性状连锁的标记主要有： 中国农科院蔬菜花卉研究所获得的与甘蓝显性雄性不育基因连锁的RFLP、RAPD、SSR、AFLP标记，与甘蓝抗TuMV基因连锁的AFLP 标记。其中获得的与甘蓝显性雄性不育基因连锁的分子标记正用于育种实践。Fine