玉米温敏自交不亲和系的鉴定与生态学机制分析

第 43卷 � 第 1期 河 南 农 业 大 学 学 报 Vo .l 43� No. 1 2009年 � � 2月 Journa l ofH enan A griculturalUn ivers ity Feb. � 2009 收稿日期: 2008- 10- 09 基金项目:国家 � 863�重大项目 ( 2006 AA 10030) ;教育部新世纪人才支持项目 ( 20080010) 作者简介:段柳静 ( 1984- ) ,女,河南济源人,硕士研究生,从事玉米遗传育种研究;通讯作者:谢惠玲. 文章编号: 1000- 2340( 2009) 01- 0001- 05 玉米温敏自交不亲和系的鉴定与生态学机制分析 段柳静1,谢惠玲 1,胡彦民 1,林兴娥1,赵广远 1,赫忠友2,赫 � 晋 2,汤继华1 ( 1.河南农业大学,河南 郑州 450002; 2. 海南绿川种苗有限公司, 海南 海口 571100) 摘要: 在玉米繁殖过程中发现了一种生态自交不亲和材料 HE 97,为了证明其不亲和类型及其生态学机制, 通过 2 a田间分期播种和花丝切片观察, 对该材料的自交不亲和性进行了研究. 结果表明, HE 97的自交不亲和性主 要受温度影响, 表现为高温自交亲和, 低温自交不亲和,亲和性转换的敏感时期是雄穗的小花分化期 /雌穗生长 锥伸长期, 临界温度为 20~ 24 � .花粉在其相同基因型花丝上不能萌发可能是导致 HE 97自交不亲和的主要原 因. 关键词: 玉米;温敏自交不亲和; 生态学机制 中图分类号: S 513� � � � 文献标志码: A Identification and ecological analysis of a new thermo�sensitive genic self�incompatibility line inmaize DUAN L iu�jing1, X IE Hui�ling1, HU Yan�m in1, L IN X ing�e1, ZHAO Guang�yuan1, HE Zhong�you2, HE Jin 2 , TANG Ji�hua1 ( 1. H enanA griculturalUn iversity, Zhengzhou 450002, Ch ina; 2. Ha inan L�chuan Seed Company L td. , H aikou 571100, Ch ina) Abstract: The present study describes a nove l eco log ical self�incompat ib ility ( SI) line, HE 97, in ma ize, wh ich w as found in the propagat ion o f inbred line in the field, and its eco log ica lmechanism w as ana lyzed. It w as identif ied through sow ing at different stages for tw o years ( 2004 and 2005), and observ ing the po llen tubes in the selfing and intercross silks using m icroscope. The resu lts demonstra� ted that the dailym inimum temperaturew as thema in env ironmen tal factor affecting the character istics of the SI line. It expressed complete self�compat ib ility under h igh temperature but self�incompat ib ility under low tempera ture, and the temperature boundary of self�compat ib le transit ion w as 20~ 24 � at the floret differentiation of the stam inate inflorescence or the e longation stage of p isti.l Additionally, the self�incompat ib ility o f the S I linew asm ainly caused by the fact that po llen germ ination w as inhib ited by st igma o r tha t the po llen tube could not grow th in silk. Key words:Maize; Thermo�sensitive gen ic self�incompa tib ility; E co log ica lmechan ism � � 玉米杂交种子生产主要利用人工去雄的方式 进行, 随着农村劳动力向城市的大量转移,在中国 主要制种基地,玉米去雄季节劳动力不足的现象日 渐凸显,在一定程度上制约了玉米杂交种子的生产 与种子质量的提高. 因此发掘新的种质资源, 建立 新的种子生产体系, 对种子生产具有重要意义.植 物自交不亲和现象因其在杂交种子生产中具有重 要的利用价值而倍受关注 [ 1~ 4] .由于自交不亲和性 2���� 河 � 南 � 农 � 业 � 大 � 学 � 学 � 报 第 43卷 由核基因控制 [ 5~ 7] , 具有转育方便、无特定细胞质 生理小种专化侵染的优点,是杂交种子生产的另外 一种有效途径 [ 8, 9] . 1997年, 海南绿川种苗有限公 司赫忠友发现了一个玉米生态自交不亲和材料 HE 97, 并初步证明该材料亲和性的变化与环境条 件有关.本研究对玉米生态自交不亲和材料 HE 97 的生态学机制、细胞学特性等进行了分析,以期为 该材料在生产上的可能应用提供依据. 1� 材料与方法 1. 1� HE 97亲和性转换的生态学机制分析 2004� 2005年在河南农业大学科教园区分期 播种 HE 97和正常自交系 87 - 1, 2个材料每期种 植 2行. 2004- 04- 22开始播种,每隔 8 d播种 1 期,播期分别为 04 - 22, 04- 30, 05 - 08, 05- 16, 05 - 24, 06 - 01和 06 - 09. 在 2004年初步确定 HE 97亲和性转换播种时间的基础上, 2005年在 04- 22, 04- 29和 06- 10进行播种鉴定试验. 田间调查从 3叶期开始, 每隔 3 d单株调查 1 次叶龄,分别记录展开叶和心叶数, 至雄穗抽出结 束.每期选 5~ 8株 HE 97自交,同时选择 3~ 5株 HE 97与 87- 1进行正反交,收获后统计单穗结实 数,并计算单株结实率 (结实率 = 单穗结实数 /穗 行数 �每行应结子粒数 ). 根据叶龄指数推知每一 单株雄穗和雌穗发育的相应时期 [ 10] , 分析雄穗和 雌穗每一发育时期的气象指标及其自交结实率的 相关关系, 确定影响亲和性转换的影响因子及转换 区间 [ 11 ] .所用气象 (日最高气温、日最低气温、 日平均气温、日照时数 )来源于河南省气象局河南 省农科院观测站. 1. 2� HE 97花粉育性与花丝中花粉管的鉴定 为了观察 HE 97不亲和阶段与亲和阶段的花粉 管在花丝中的伸长情况, 2004年在 03- 28, 04- 13 和 06- 15分别播种 5行 HE 97和 87- 1,每期选部 分 HE 97, 87- 1分别自交和姊妹交,同时用 HE 97 和 87- 1进行正反交.授粉后 4 h取部分花丝用卡诺 固定液固定,在实验室用刀片将花丝切开, 用醋酸洋 红和品红分别染色,观察花粉管在花丝中的萌发和 生长情况.在对 HE 97花丝进行固定的同时,对花粉 进行 K2 I�I染色,根据染色情况将花粉分为典败、染 败、圆败和正常 4种类型 [ 11] . 2� 结果与分析 2. 1� HE 97花粉和花丝的育性鉴定 根据对 HE 97的田间散粉 (图 1a, 图 1b)和花 粉镜检结果 (图 1c,图 1d)可以看出, 2004- 04- 30 和 05- 16播种的 HE 97散粉和吐丝情况均正常, 而且 6个播期 HE 97的正常花粉率在 52%~ 69% (表 1),在正常授粉情况下,花粉的育性不是造成 HE 97结实率存在显著差异的原因. 注: 图 a和 c,第 2期 HE 97的散粉和花粉镜检情况;图 b和 d,第 4期 HE 97的散粉和花粉镜检情况. Note: F ig. a and c, the flow ering ofH E 97 and pol len stain ing resu lts sown at 2 nd stage; F ig. b and d, the f low ering ofH E 97 and pollen stain ing resu lts sow n at th e 4 th stage. 图 1� HE 97在 2004年 2个播期内的散粉和花粉染色情况 Fig. 1� The perform ance of an thesis forHE 97 and the pollen sta ined resu lts at tw o d ifferent sow ing stages in 2004 第 1期 段柳静等:玉米温敏自交不亲和系的鉴定与生态学机制分析 3���� 表 1� 不同播种期内 HE 97的花粉镜检结果 Tab le 1� The resu lts of the pollen s for HE 97 checked w ith m icroscope 播期 / (月 -日 ) Sow ing date 总数 T otal num ber 碘败个数 Typ ical abort ion 圆败个数 Spherical abortion 染败个数 Stain ed abort ion 正常花粉个数 Norm al pollen norm al 百分率 /% Percentage 04- 22 216 38 23 7 148 68. 5 04- 30 224 43 29 12 140 62. 5 05- 08 193 46 31 11 105 54. 4 05- 16 248 41 29 12 166 66. 9 06- 01 157 39 19 17 82 52. 2 06- 09 262 38 34 11 179 68. 3 2. 2� 不同播期 HE 97的自交结实率 在 2004年 04- 21, 04- 30和 05- 08播种的 HE 97中,除 04- 21播种的 HE 97收获到一个结 实率为 7. 13% 的果穗外, 其它 17株均未得到种 子;而 05 - 16播种的 HE 97结实率为 31. 2% ~ 72. 4%, 平均结实率为 49. 3% ; 05 - 24播种的 HE 97结实率为 21. 7% ~ 81. 1%, 平均结实率为 47. 8%; 06 - 01 播种的 HE 97 的 结实率为 37. 8% ~ 74. 0% , 平均结实率为 56. 7%. 在 2005 年播种的 3期 HE 97中, 04- 22播种的 HE 97结 实率均为 0,表现出完全不亲和; 04- 29开始出现 部分亲和现象, 结实率为 0 ~ 27. 4% , 平均结实率 为 6. 9%; 06- 10播种的 HE 97结实率为 95. 8% ~ 100%,表现为完全亲和. 由于 HE 97在 2 a的 04 - 22左右播种, 均出 现了完全自交不亲和现象,并随着播种期的推迟出 现了部分亲和向完全亲和的转变过程,因此可以确 定 HE 97的自交不亲和性受生态环境的影响, 属 于生态型自交不亲和类型,在郑州地区的亲和性转 换的播种时间在 04- 25与 05 - 15之间, 04 - 25 前播种为自交不亲和, 05 - 15后播种则为自交 亲和. 2. 3� HE 97自交不亲和性的影响因子 根据叶龄指数推算出各单株雌、雄穗发育的 4 个时期 (生长锥伸长期、小穗分化期、小花分化期、 性器官形成期 ) ,并对每一单株相应发育时期的最 高温度、最低温度、平均温度、日照时数及其结实率 作相关分析 (表 2) .结果表明,在雄穗发育的生长 锥伸长期、小穗分化期和小花分化期, 日最低温度 在 3个时期与结实率都呈现出极显著的正相关,在 性器官形成期 3个温度指标与结实率均不存在显 著的相关性,同时雄穗发育 4个时期的日照时数与 结实率也不存在显著的相关性.在雌穗发育的 4个 时期中,生长锥伸长期的日最低温度与结实率在 2 a间均呈现极显著的正相关, 而日照时数与结实 率不存在显著的相关性. 根据玉米雌、雄穗发育时期的对应关系可知, 雄穗发育的小花分化期对应雌穗发育的生长锥伸 长期.因此, HE 97的自交不亲和性主要受温度影 响,属于温敏型自交不亲和类型; 育性转换的关键 时期是雄穗的小花分化期 (雌穗生长锥伸长期 ) , 该时期的最低温度是影响亲和与不亲和的关键因 素,在最低温度 < 20 � 时, 表现为自交不亲和,当 最低温度 > 24 � ,表现为自交亲和. 表 2� HE 97雄穗、雌穗不同发育时期的气象因子与结实率的相关分析结果 Tab le 2� Correlation analyses betweenm eteorological fac tors of the ear and tasse l at differen t develop ing stage s w ith seed se tt ing rate 发育时期 Develop ing s tage 气象因子 Meteorological factors 雄穗 Tassel 雌穗 E ar 2004 2005 2004 2005 生长锥伸长期 E longation stage 最高温度 Max im um tem peratu re 0. 651* * - 0. 635 0. 193 - 0. 398 最低温度 M in im um tem peratu re 0. 749* * 0. 741* * 0. 523* * 0. 764* * 平均温度 Average tem perature 0. 612* * - 0. 136 0. 290 0. 079 日照时数 D aylight hours 0. 429* - 0. 571 0. 074 0. 067 小穗分化期 Sp ikelet d ifferen t iation stage 最高温度 Max im um tem peratu re 0. 524* * 0. 874* * - 0. 740 - 0. 641 最低温度 M in im um tem peratu re 0. 773* * 0. 817* * - 0. 204 0. 572* 平均温度 Average tem perature 0. 552* * 0. 729* * - 0. 654 0. 292 日照时数 D aylight hours - 0. 164 0 - 0. 880 - 0. 389 小花分化期 Floret d ifferen t iation stage 最高温度 Max im um tem peratu re 0. 101 - 0. 445 - 0. 567 - 0. 574 最低温度 M in im um tem peratu re 0. 525* * 0. 644* * 0. 353 0. 375 平均温度 Average tem perature 0. 198 0. 460 - 0. 533 0. 055 日照时数 D aylight hours 0. 186 - 0. 386 - 0. 550 - 0. 526 4���� 河 � 南 � 农 � 业 � 大 � 学 � 学 � 报 第 43卷 续表 � Continue ing table 发育时期 Develop ing s tage 气象因子 Meteorological factors 雄穗 Tassel 雌穗 E ar 2004 2005 2004 2005 性器官形成期 Sexual organ form at ion stage 最高温度 Max im um tem peratu re - 0. 507 - 0. 484 - 0. 598 0. 171 最低温度 M in im um tem peratu re 0. 024 0. 074 - 0. 166 0. 769* * 平均温度 Average tem perature - 0. 313 0. 235 - 0. 348 0. 442 日照时数 D aylight hours - 0. 470 - 0. 523 - 0. 398 - 0. 284 � 注: � * , * * �表示达到 0. 05和 0. 01显著水平. Note: � * , * * � indicates 0. 05 and 0. 01 sign if icant leve.l 2. 4� HE 97的花粉管在花丝中的伸长情况 对 2004- 03 - 28播种的 HE 97进行人工授 粉,在授粉后 4 h将花丝剪下并用卡诺固定液固 定,在实验室对 2个杂交组合、HE 97和 87- 1的 自交株 ( CK )的花丝进行切片, 观察其花粉管在花 丝中的伸长情况, 并与相应单株的结实率进行 比较. 从图 2中的花粉管伸长情况可以看出,在第 1 批播种的材料中, 14株 HE 97自交的花丝中均未 观察到花粉管的伸长 (图 2 a ), 其结实率也极低 (图 2 e) ,说明只有极少数花粉能正常参与授精; 而HE 97与 87- 1自交和正反交组合的花丝中都 观察到了花粉管的生长,结实性表现正常, 说明在 正反交条件下 HE 97和 87- 1的花粉都能在对应 的花丝上正常生长 (图 2 c, 图 2 d) . HE 97夏播时, 其自交植株的花丝中花粉管伸长正常 (图 2 b) ,结 实性表现正常. 而正常自交系 87- 1的自交花丝在 任何一个时期均能发现花粉管伸长情况.因此可以 推测, HE 97自交不亲和的原因可能是花粉在雌蕊 柱头上不能萌发或萌发后花粉管不能穿透柱头. � � 注: 图 a和 b, HE 97自交不亲和与自交亲和花丝中的花粉管;图 c和 d, HE 97与 87�1杂交及其反交花丝中的花粉管;图 e, HE 97 � � 自交结实性;图 ,f 87- 1自交花丝中的花粉管. � � Note: F ig. a and b, th e po llen tubes in the self� incom patib le and self�compat ib le silk s ofHE 97; F ig. c and d, th e po llen tubes in the � � s ilks of (H E 97� 87- 1) and the contrary hybrid; Fig. e, the seed set ting rate ofHE 97 at self�in com pat ib le stages; Fig. ,f the pollen � � tubes in the s ilks of norm al inbred line 87- 1. 图 2� HE 97与 87- 1杂交及自交的花丝中的花粉管及其对应果穗的结实性 F ig. 2� The pollen tubes observed in hybr id and se lfing silk for HE 97 and 87- 1 as we ll as seed setting rate of HE 97 3� 结论与讨论 本研究对玉米自交不亲和材料 HE 97的生态 学机制进行了分析,发现其自交不亲和性受自身基 因型和日最低温度的共同控制,表现为低温自交不 亲和, 高温自交亲和, 亲和转换的敏感时期是雄穗 的小花分化期或雌穗的生长锥伸长期.花丝切片结 果表明,花粉在具有相同基因型的花丝上不能萌发 或者花粉管在花丝中不能伸长可能是导致该材料 自交不亲和的主要原因. 由于玉米杂交种子生产主要利用人工去雄和 �三系 �的方法进行, 单一化的种子生产模式可能 会给种子生产带来一定的潜在风险,因此需要探索 新的杂交种子生产途径. 温敏不育材料的发现与鉴 第 1期 段柳静等:玉米温敏自交不亲和系的鉴定与生态学机制分析 5���� 定为杂交种子的生产提供了一条新的途径,但是截 至目前在生产上发现的玉米温敏核雄性不育材料 还非常有限 [ 11, 12 ] ,在一定程度上制约了 �两系�法 制种技术的应用.自交不亲和特性在油菜等作物中 杂交种子的生产中已经得到了一定的应用,但是由 于自交不亲和系繁殖过程中需要采取一些特殊的 措施 [ 13] , 在一定程度上限制了自交不亲和性在杂 交种子生产中的应用.尽管前人曾报道在植物中发 现了环境因子影响不亲和性的现象 [ 14, 15] , 但是在 主要农作物中尚未有类似的报道.而本研究所利用 的 HE 97是一个温敏自交不亲和材料, 其亲和性 的转变主要受温度变化的影响,具有与光温敏雄性 不育系一样的潜在利用价值, 可以作为玉米 �两 系 �法制种过程中的一个基础材料, 为玉米种子生 产提供一条新的途径. 参考文献: [ 1] � 孟金陵. 植物生殖遗传学 [M ]. 北京: 科学出版社, 1995. 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