水稻黄化转绿型自然突变体的遗传分析

水稻黄化转绿型自然突变体的遗传分析

叶色突变体是研究水稻光合作用机制、叶片绿色体结构功能和遗传发育调节机制的理想材料，可作为各种优势利用的评价指标。在育种实践中,叶色变异可作为标记性状,在三系和两系杂交水稻亲本繁殖、杂交制种、杂交种子纯度鉴定等方面得到利用。在两系法杂交水稻的育种和生产应用中,人们发现光温敏不育系普遍存在不育性表达不稳定的问题;同时,一些优良的三系杂交水稻细胞质雄性不育系也出现类似的问题。因此,如何有效提高亲本繁殖制种过程中的除杂效率,快速准确鉴定种子生产过程中因育性波动可能出现的种子纯度问题,已成为杂交水稻研究和应用中的一个重要课题。从叶色突变表达的时期来划分,目前发现并在育种中利用的叶色突变体主要有两种类型,一是在植株发育的某个阶段表现突变叶色,主要在苗期,后期叶色均转为正常绿色;如沈圣泉等、Su等报道的白化转绿型叶色突变体;Wu等报道的黄绿叶突变体;二是整个生育期表现突变叶色,如宋克堡等、沈圣泉等报道的淡黄叶和黄叶突变体,刘国民等报道的黄绿叶突变体。由于只在苗期表达的叶色突变体后期无标记效用,而全生育期表达的叶色突变体,其光合生理可能受到影响,因此从一定程度上限制了这两种类型的叶色突变体在育种上的广泛应用。本研究在水稻新保持系材料选育后代群体中发现一个新的叶色自然突变体,该突变体与上述两种类型叶色突变体不同,其主茎和分蘖的每一片叶都表现为叶片发育前期黄化,后期逐渐转绿的动态发育过程;就单个叶片而言,突变表型只在叶片发育前期表达,后期转绿;但就整个植株而言,从苗期到分蘖剑叶全展以前的整个叶片生长发育期都能观察到叶片黄化转绿的突变特性。本文对该突变体的主要农艺性状和遗传行为进行观察和分析,通过杂交转育成带叶色标记性状的水稻新不育系并观察其所配杂交组合的杂种优势表现,以期为该突变基因的分子定位、功能研究及生产应用奠定基础。1材料和方法1.1转绿型自然突变株在T98B/金23B//宜香1B杂交后代群体中发现的一株叶色黄化转绿型自然突变株,该突变株主茎和分蘖的所有叶片都能观察到叶色由黄转绿的发育特性,经过多代自交扩大群体,突变性状和其它农艺性状表现遗传稳定无分离,形成群体整齐一致、性状稳定表达的突变系。1.2农艺性状调查2013年春季在三亚田间种植突变体和野生型材料,抽穗期观察记载始穗期,成熟期取样考察株高、穗长、单株有效穗数、结实率、千粒重、单株产量等农艺性状。为研究突变体的遗传特性,利用突变体与丰源B和宜香1B杂交,与丰源A测交并回交,观察各杂交、回交组合的F1、F2、BC1F1群体的叶色表现和分离情况,并进行统计分析。1.3黄化转绿型阶段回交转选育将稳定的黄化转绿型叶色突变系与三系不育系丰源A测配,F1植株叶片表现正常绿色,选择败育彻底不育株与叶色突变体回交转育成BC1F1,在BC1F1群体中出现突变叶色与正常绿色不育株,选择雄性败育彻底且带有突变叶色的不育株与叶色突变体成对回交转育,在高世代回交群体中继续选择叶色标记性状全不育、株叶形态优良的株行成对回交筛选至BC6F1,获得稳定的黄化转绿型叶色标记三系不育系和保持系,命名为热农1A和热农1B。1.4杂交党支部组系杂能利用及产量性状杂种优势以黄化转绿型叶色标记三系不育系热农1A为母本,与R116、R118、R121、R124、R126、R527、R599、华占等8个三系恢复系杂交配组,以海南省审定并推广应用的杂交稻组合粤优589为对照品种,考察测交F1代组合的主要农艺性状与产量性状杂种优势。2结果与分析2.1冷刺剂为苗木、分蝽期、抽穗期为5种突变体的农艺性状表1突变体植株3叶以内表现为黄化,4叶期左右时第1~3叶开始转绿,随后的主茎与分蘖叶片都表现为由黄转绿的发育过程。观察单个叶片可发现,突变表型只在叶片发育的前期表达,后期由叶尖向叶基部逐渐转绿;观察整个植株发现,从苗期到分蘖剑叶全展以前的整个叶片生长发育期能持续不断的观察到叶片依次由黄转绿的突变特性。突变体在苗期、分蘖期、抽穗期田间表现如图1所示。通过考察比较突变体与野生型的主要农艺性状,从表1可以看出:突变体比野生型始穗迟两天左右,单株有效穗数突变体多于野生型;株高、穗长、每穗着粒数、结实率、千粒重和单株产量都比野生型有所减少;统计分析表明,突变体与野生型在所考察的8个主要农艺性状上的差异都没有达到显著水平。2.2常绿苗和黄化苗突变体与丰源B、宜香1B杂交F1代植株叶片均表现正常绿色,F2代群体分离出叶色差异明显的正常绿苗和黄化苗;突变体与丰源A杂交,F1代植株叶片也都表现正常绿色苗,回交一代群体分离出现正常绿苗和黄化苗,卡方测验结果表明,F2代群体绿苗与黄化苗的分离比例符合3∶1,回交一代群体绿苗与黄化苗的分离比例符合1∶1(表2),说明该突变性状受一对隐性核基因控制。2.3海南种植热农a的特性利用稳定黄化转绿型叶色突变株系为父本,以丰源A为母本,经多代成对回交选育成带有隐性黄化转绿型叶色标记性状的三系不育系热农1A,该不育系主茎与分蘖所有叶片同样表现为由黄转绿的发育过程。热农1A具有早熟、矮秆、不育彻底等优点,在海南三亚早稻播种至始穗天数75~83d左右,海南儋州晚稻播始历期天数约70d;不育系株高66~70cm,株型适中,叶鞘、稃尖及柱头紫色,长势繁茂、分蘖力强。单株平均成穗18个,单穗总粒数平均126粒,穗长21.9cm;谷长9.8mm,长宽比3.3,千粒重25.5g。花粉败育以典败为主,花粉不育度99.9%以上,套袋自交不育株率100%。抽穗期田间调查发现热农1A异交特性较好,花时早而集中,开颖时间长、开颖角度大、柱头较大;柱头总外露率为65%以上,其中双边外露率40%以上,柱头活力较强,异交结实率可达51%左右,繁制种产量高。热农1A稻米品质主要指标测定结果为,糙米率79.2%,精米率71.1%,整精米率52.8%,米粒长7.1mm,长宽比2.8,垩白粒率55%,垩白度5.6%,直链淀粉含量23.8%。2.4标记选育组合叶片的性状2012年晚季利用恢复系R116、R118、R121、R124、R126、R527、R599、华占等三系恢复系材料与热农1A配组。2013年早季在三亚对杂交组合进行田间观察与室内考种,叶色标记不育系所配组合叶片均表现正常绿色,株叶型好,群体整齐一致,抗性较好,田间未发现稻瘟病、白叶枯病和飞虱为害。从表3可以看出,所配组合播始历期在82~92d之间,株高81~97cm;单株有效穗数均多于对照组合,平均每穗总粒数144.20粒,结实率92.01%,千粒重29.06g,理论产量达到10.44t/hm2,平均比对照增产7.73%,最高达21.92%。上述数据表明叶色标记不育系的一般配合力和可恢复性好,所配杂交组合具有早熟矮秆、抗倒力强、结实率高,穗大粒多,千粒重大,部分组合理论产量优势较对照明显,展示出良好的应用潜力。3突变性状的基因特征和应用叶色突变作为一种十分明显,易于观察的性状突变,在基础研究和生产应用中的利用价值备受关注。根据突变体叶色表型Gustaffsson将叶色突变体分为白化、黄化、浅绿、条纹、斑点5大主要类型,Awan等则将叶色突变体细分为白化、黄化、浅绿、绿白、白翠、黄绿、绿黄和条纹8种类型。从叶色突变表达的时期来划分,目前报道的主要有苗期表达和整个生育期表达两种类型。本文发现的叶色突变体叶色表型表现形式与上述两种类型有所不同,突变体植株的所有叶片都经历一个黄化转绿的发育过程,由于每片叶都只在叶片发育前期表达,后期转绿,能够合成足够的叶绿素进行光合作用,满足生长过程需要的物质积累,不影响植株的正常生长发育;该突变体主茎到分蘖叶片依次由黄转绿的特性对于揭示水稻叶片叶绿素合成、叶绿体发育与分化过程可能具有重要研究价值。通过正反交、回交对F1、F2、BC1F1等经典遗传学分析结果表明突变性状受一对隐性核基因控制,遗传行为简单。笔者已构建遗传群体,目前正开展该突变基因的定位、克隆和功能研究。叶色突变往往直接或者间接影响叶绿素的合成降解,导致光合效率下降,造成植株生长发育不正常而减产,多数已报道的水稻叶色突变体因此而不能应用于育种实践。从本研究中的黄化转绿型叶色突变体与野生型主要农艺性状的比较来看,在所考察的8个主要农艺性状上突变体与野生型之间的差异都没有达到显著水平。说明该突变性状对植株的生长发育没有产生显著的不利影响,与野生型的特征特性基本一致,有利于该突变体在育种中应用。利用综合性状优良,且受隐性核基因控制的叶色突变体,通过杂交、回交等手段将叶色突变基因导入三系或两系的不育系中,可有效提高亲本繁育过程中的除杂保纯效率;也可快速准确鉴定种子生产过程中因育性波动可能出现的种子纯度问题。如在三系或两系不育系亲本繁殖时,苗期即可轻易识别叶片表现为绿色的杂株,确保原种纯度;杂交制种时,快速去除母本中的绿苗可促进除杂效率,有效提高杂交稻种子纯度;对于杂交稻制种过程中遇异常温度导致不育系育性波动的杂交种子进行纯度鉴定时,可将收获的杂交种子在当地秧田或实验室播种,因育性波动导致不育系自交结实的种子将表现为标记性状叶色,从而在幼苗期即可鉴定出种子纯度,具有快速、简单、准确、低成本的特点。近年来育种家已经选育出多个带有叶色标记的不育系,部分材料在杂交水稻生产上得到应用。如舒庆尧等、沈圣泉等、赵海军等选育的苗期白化后期转绿的叶色标记不育系全龙A、白丰A、玉兔S;沈圣泉等、宋克堡等、刘国民等选育的全生育期表达标记叶色的黄叶不育系黄玉A,淡黄叶不育系标810S,黄绿叶不育系黄标A系列。本文发现的突变材料是一个农艺性状优良的优质保持系材料,保持能力强,通过回交转育成的黄化转绿型叶色标记三系不育系热农1A标记性状明显,植株较矮