（无芒山羊草）中国春等小麦雄性不良系不孢子败育及育性…

（无芒山羊草）中国春等小麦雄性不良系不孢子败育及育性… (无芒山羊草)中国春等小麦雄性不良系不 孢子败育及育性… 第41卷第2期 1995年4月 武汉大学(自然科学版) J.WuhanUniv.(NaturaIScienceEdition) V0L4lNo.2 Apr.1995 (无芒山羊草)中国春等小麦雄性不育系 小孢子败育及育性恢复的初步研究 2;一邪,堡塑.坌翌 (武汉大学生命科学学院,武汉,30072) Slt 摘要研究了(无芒山羊草)中国春,(尾状山羊草)中国春和(拟斯卑尔脱山羊草)中国春三种 小麦细胞质雄性不育幕(cytoplasmicma[esterilefine,CMS)小孢子败育特点及育性恢复特性,结 果表明;1.(无芒山羊草)中国春CMS小孢子败育主要发生在单核晚期和二棱期,以菌败为主,菌 败频率为75.9}z.(尾状山羊草)中国春CMS和(拟斯卑尔脱山羊草) 中国春CMS小孢子败育主 要发生在单棱晚期,以典败为主,典败额率分别为8O.5和92.5}3.上述三种小麦CMS易恢性 不同,其中(拟斯卑尔脱山羊草)中国春CMS易恢性相对较好,而(无芒山羊草)中国春CMS相对 较差.在测交试验中,三种CMS都找到了育性可完全恢复的恢复系.拟斯卑尔脱山羊草细胞质 和尾状山羊草细胞质在杂种小麦生产应用中可能有较大潜力. 关?词细胞雄性不育,小孢子败育,雄性商性恢复,小麦 中圈法分类号343.3 自1951年木原均育成了具尾状山羊草(Aegilopscaudata)细胞质的小麦细胞质雄性不育 系(CMS)以来,目前通过远缘杂交和核置换回交,得到的各种类型小麦雄性不育系至少有7O 种口],其中国内外研究较多的有T型,粘型,偏型,易型和黔型等小麦CMS.但是,在实际应用 中发现上述胞质不育系都有各自缺点,如T型不育系最大问题是恢复源少,要培育优良的恢 复系较困难口],粘型,偏型和易型不育系在不同世代都产生一定频率的单倍体,杂种育性恢复 性在年际间存在变异口],黔型不育系种籽皱缩,恢复系性状不好等等? 徐乃瑜等1994年报道了具有无芒山羊草,尾状山羊草和拟斯卑尔脱 山羊草细胞质的小麦 新型CMs,认为它们可能有较大的利用潜力.在此基础上,本研究进一步探讨了具有上述 三种胞质的小麦CMS小孢子败育特点和在T型恢复系条件下雄性育性恢复的特性. 1材料和方法 1.1材料’ 选用(无芒山羊草)中国舂(Ae.mutica)cs,细胞质属Mt.型[];(尾状山羊草)中国舂(Ae 收稿H期:1994—07-09.椽祖元男.27岁,硕士研究生.现从事植物遗传学研究 国家攀登资助的课题 武汉大学(自然科学版)第41卷 caudata)cs,细胞质属C型f(拟斯卑尔脱山羊草)中国春(Ae.speltoldes)cs,细胞质属G型;以 同核保持系中国春(Chinese印ring,cs)作对照.17个供试T型恢复系在国内征集,对T型 CMS恢复力较强.不育系及同核保持系由常胁恒一郎教授赠送,上述材料于1992,1994年 种植在武汉大学校内试验地. 1-2方法 当不育系,保持系旗叶抽出,叶枕距为2cm左右时,分别取主穗2个.以后隔日取样,直至 开花.小孢子发育状况采用花药压片法,卡诺液(95盼酒精:冰醋酸一3t1)固定,醋酸洋红染 色,同时辅以石蜡切片法.开花期对花粉进行碘液染色,观察和统计花粉败育类型及比例,用 普通显微镜观察并摄影- 不育系易恢性测定方法是在开花前将杂种F主穗分别套上隔离袋,成熟后随机统计1O 个自交穗结实率,育性划分参见文献[8]. 2结果和分析 2.1供试三种小麦CMS小孢子发育的细胞形态学比较 保持系中国春作为对照,其小孢子发生和雄配子体发育大致经历如下几个时期:造孢细胞 时期,小孢子母细胞时期,四分体时期,单核早期,单核中期,单核晚期,二核期和三戡期口](图 版I:1,7).供试三种不育系小孢子发育的细胞形态学如下: 1)四分体时期:(无芒山羊草)中国春等三种CMS小孢子发育同保持系基本相同.仅有极 少数异常现象发生.如:小孢子母细胞发生粘连,减数分裂异常,四分体呈直线排列(图版I:8 , 10). 2)单核早期:正常情况下,小孢子从四分体分散出来后,很快形成花粉壁和萌发孔.供试 三种CMS小孢子在此期发育基本正常,但有极少数异常现象.如(尾状山羊草)中国春CMS 出现了巨型小孢子,频率为0.9,(拟斯卑尔脱山羊草)中国春CMS也出现了巨型小孢子,频 率约为1.4-’ 上述结果表明:在单核早期以前,供试三种小麦CMS小孢子发育基本正常异常现象不 到2-. 3)单核中期:(无芒山羊草)中国春等三种CMS小孢子在此期均开始出现败育现象.根 据花粉对醋酸洋红着色反应,观察到两种异常花粉.一是无色空壳花粉,花粉内不含细胞质和 细胞核(图版I:11,12)}另一是细胞质较正常稀薄,细胞核有时也不正常的花粉,它对醋酸洋 红着色很浅,与正常花粉明显有异(图版I:13,14,16). 表1结果表明:在单核中期,(无芒山羊草)中国春无败育花粉产生,仅有少量花粉表现出 不正常迹象,(尾状山羊草)中国春和(拟斯卑尔脱山羊草)中国春CMS则分别有1.51和 2-7的花粉败育. 4)单核晚期:(尾状山羊草)中国春和(拟斯卑尔脱山羊草)中国春CMS在此时期出现大 量的败育花粉,花粉败育率分别高达87.42和93.92f而(无芒山羊草)中国春CMS仅 5O-21花粉败育(参见表1和图版I:11,12). 第2期绦祖元等:(元芒山羊草)中国春等小麦雄性不育系小孢子败育及育性恢复的初步研究225 衰1供试三种小麦CMS小孢于在不同发育时期艘育颤率的比较(单位,) 材料 Maleria10 细胞质 类型 单棱中期单棱晚期二棱期三棱期 细胞教败育率细胞教败育率细胞教败育率细胞教败育率 (元芒山羊草)中国春 (Ae.mutica)cs (尾状山羊草)中国春 (Ae.caudata)cs (拟斯卑尔脱山羊草)中国春 (Ae.speltoides)cs 中国春(c C19l11.51127287.42149791.20l072100 B9413.30l4115.70I2525.90I1009.40 5)二核期和三核期:属C,G胞质类型的两种CMS小孢子在单核晚期已大量败育,到二 核期则几乎全部败育.属Mt型胞质的(无芒山羊草)中国春在二核期有88-70花粉败育, 剩下的花粉在进入三核期时败育(见表1和图版I:14,16)? 上述结果表明,供试三种小麦CMS小孢子在不同发育时期败育情况不一致- 2.2供试三种小麦CMS花粉碘染结果比较 依据花粉对碘液的着色反应,可将花粉分为深染型,浅染型和未染型三种,其中未染型花 粉包括典败和园败两种花粉. 裹2供试三种小麦CMS花粉磺染结果比较 材料细胞质观察典败花粉园败花粉浅染花粉深染花粉 Materials类型花粉教细胞教百分比细胞教百分比细胞教百分比细胞教百分比 表2结果表明,供试三种小麦CMS均未出现浅染型和深染型花粉.属Mt胞质型的(无 芒山羊草)中国春CMS以园败为主,园败频率为75.9,典败仅占24-1; 属c型胞质的(尾 状山羊草)中国春和属G型胞质的(拟斯卑尔脱山羊草)中国春CMS都以典败为主,典败频率 分别为8O.5和92.5.在供试的三种同核异质小麦CMS中,小孢子败育的特点不同,表明 不同细胞质基因组与小孢子败育特性可能有关- 我们的实验结果还表明:小孢子大量败育时期发生较早的不育系其花粉多为典败类型? 武汉大学(自然科学版)第41卷 2.3供试三种小麦CMS易恢性性状的比较 根据我室测交试验结果,所有供试的普通小麦常规品种都是(无芒山羊草)中国春等三种 CMS的保持系,它们不能恢复这三种不育系的育性,而供试的T型恢复系能不同程度地恢复 不育系育性(结果见表3). 表3资料表明,对于(拟斯卑尔脱山羊草)中国春,在供试的16种T型恢复系中,有4种能 完全恢复其育性(育性恢复度在81,100间),另有6种对其育性恢复度在51,8OoA间(低不 育),16种T型恢复系对其育性平均恢复度为61.32(低不育).对于(无芒山羊蕈)中国春 CMS,仅有2种恢复系能完全恢复其育性,而有7种恢复系完全不能恢复其育性,供试16种T 型恢复系对它的育性恢复度平均值仅为3O.67(相当于半不育).(尾状山羊草)中国春CMS 的易恢性在上述两种CMS之间.上述结果表明:供试三种小麦CMS易恢性存在差异,在T 型恢复系为测试种条件下,(拟斯卑尔脱山羊草)中国春育性恢复度相对较好,(无芒山羊草)中 国春则相对较差. 寰3三种小麦CMS育性恢复度差异的比较 育性恢复度的高低,不仅与恢复系性质有关,也与CMS易恢性有关,并且与核质互作效 应也有关.如恢复系宁89—3OO2和矮丰4号/御国ffCIMMYT对供试三种CMS育性恢复度 都较高,差异不大{但恢复系87T2433对这三种CMS育性恢复度的差异却很大,它对供试三 种CMS育性恢复度分别为0.83,68?64和89?47? 在我们的测交试验中,分属于Mt.型,C型和G型胞质的三种CMS育性恢复度最高值分 别可达97.56,89.O5和89.47(见表3),表明在T型恢复系中可筛选到对这三种CMS 育性完全恢复的恢复系,甚至可组配出强优势组合. 3讨论 3.1小麦CMS小孢子败育时期及原因 Laser,K.D.等1972年指出,单子叶植物不育系花粉败育时期多在或接近花粉发育的二 核期】.从我们观察的三个小麦CMS来看,在小孢子不同发育阶段上都出现有异常现象+但 早期败育是极少数,败育频率不到2+而大量败育是在单核晚期和二核期,这与过去一些报 第2期徐祖元等:(无芒山羊草)中国睿等小麦雄性不育系小孢子破育及育性恢复的初步研究227 道是相同的.供试三个小麦CMS败育主要发生时期不一致,可能与细胞质和核质互作有关. 细胞学观察到的形态变化常常是内在变化的结果.近年来,通过对玉米,高梁,水稻,小麦 等植物雄性不育的深人探讨.部分学者认为CMS的遗传决定因素与叶绿体基因组有关[1lJ,但 更多的迹象表明,CMS与线粒体基因组有关.一些学者发现不育系细胞质中线粒体的超微结 构,mt—DNA限制性内切酶酶谱和线粒体基因组翻译产物等与保持系都有差异”].刘植义 等认为在小麦T型CMS中,线粒体基因表达具有时空性,花粉的发育 从单核期到二核期是一 个临界时期”]. 3.2供试三种CMS易恢性差异的探讨 Tsunewaki,K.等1976年把无芒山羊草细胞质,尾状山羊草细胞质和拟斯卑尔脱山羊草 细胞质分别归属于Mt.型,C型和G型胞质,T型不育系细胞质也属G型胞质州,Ogihara,Y. 等1982年认为Mt型细胞质基因组与C型,G型的遗传距离相差较大”.根据这些资料, T型不育系细胞质和拟斯卑尔脱山羊草细胞质,尾状山羊草质可能具有较为近似的细胞质基 因,而和无芒山羊草细胞质则具有较大差异的细胞质基因,这可能是在T型恢复系条件下,供 试三种CMS易恢性差异的重耍原因之一. 3.3供试三种CMS不育细胞质利用潜力 Panayotov,I.1980年认为无芒山羊草细胞质对小麦生长具抑制作用[1VJ.刘录祥等1988 年认为拟斯卑尔脱山羊草细胞质不育能力强,在生产上有利用潜力,而尾状山羊草细胞质具有 降低雌花育性的不良作用_1.徐乃瑜,杜启艳等认为供试三种细胞质在中国春核背景下,对小 麦生长发育无不良影响,不育性稳定口j.根据我们的工作,上述三种 不育胞质都有一定的利 用价值,其中拟斯卑尔脱山羊草细胞质和尾状山羊草细胞质的利用潜力可能更大一些. (本工作得到刺客千教授,王建波博士和韩笑冰同志的措导和帮助,谨致谢忱.) 参考文献 l杨天章?小麦新型不育系的研究与利用.见t黄铁城主编.杂种小麦研究——进展,问题与展望.北 京:北京农业大学出版杜,1990.1lO,136 2范凛.世界小麦杂种优势利用研究的进展.世界农业,1982(8):23,27 3张改生,吴兆苏,俞世蓉.几类异质1B/JR小麦雄性不育系育性穗定性与育性恢复性的研究.见:中 国遗传学会主编.植物遗传理论与应用研讨台文集.北京:中科院遗传研究所,1994.68~74 4陈庆富?张庆勤.黔型小麦雄性不育系及恢复系的改良.见:黄铁城,张爱民主编.杂种小麦研究进 展.北京{农业出版杜,1994111,1l8 5徐乃璃,杜启艳,殷建明等一几种小麦新型细胞质雄性不育系的研究.见t黄铁城.张爱民主编.杂种 小麦研究进展.北京t农业出版杜.1994.1O6,110 6杜启艳?徐乃璃,易自力?小麦新型细胞质雄性不育类型的研究.武汉植物学研究,1994,12(3):193 ,199 7TsunewakiK,MukaiY,EndoTR.GeneticdiversityofthecytoplasminTritic umandAegdops.V Classi{icationof23cytoplasmintoehtplasmatypes.JpnJGenet,1976,5l(3)l 175,191 8李德炎编.小麦育种学.北京,科学出版杜,1976.174,176 9棣是雄?朱澈编着.小麦形态和解剐结构图谱北京北京大学出版 杜,1983.37~44 228武汉大学,d然科学版)第41卷 10LaserKD,LerstenR.Anatomyandcytologyof giosperms.BotRev?1972?38(3){425~454 incytoplasmicmalesterilean— n刘一农,李继耕.叶绿体DNA(ctDNA)与细胞质雄性不育.遗传,1983,10(2):114”122 l2张召铎,刘植义?沈银柱等.小麦型雄性不育系及保持系花粉粒中线粒体超教结构的研究.见:中 国遗传学会主编.植物遗传理论与应用研讨会文集.北京:中科院遗传研究所,1994.12,17 l3赵世民,刘柞昌,詹庆才等-WA型,BT型和D型水稻细胞质基因组翻译产物分析和研究——两种不 育和育性恢复假说.见:中国遗传学会主编.植物遗传理论与应用研讨 会文集.北京:中科院遗传研 究所,1994.32,34 l4刘植义.沈银柱?张召铎等.小麦等作物CMS形成的分子机理研究 进展.觅黄铁城主编.杂种小麦 研究——进展,问题.与展望.北京:北京农业大学出版 社,1990.217~238 15OglharaY,TsunewakLK.MolecularbasisoLthegeneticdivers~yofthecyt oplasminTritieumand Aegilops.I.Diversityofthechloroplastgenomeanditslineagerevealedbythe restrictionpatternof Ct—DNAs.JpnJGenet,1982,57(4):371,396 l6棣乃瑜.小麦属和山羊草属细胞质基因组的遗传分化.遗 传.1987.9(6):2B,32 17PanayotovI.Newcytoplas? cmalesterilitysourcesincoifil”Ilonv~heat-Theirgeneticalandbreeding considerations.TheorApplGenet,1980,56(4):153,l6O lB刘录祥.黄铁城一杂交小麦雄性不育细胞质研究的现状和展望.北 京农业科学,1988(4):1,5 PRELIMINARYINVESTIGATIONONMICR0SP0REAB0RTION ANDMALEFERTILITYRESTORATIONIN ? __ (AE.删fCA)CSCMSANDOTHERS0FWHEAT XuZuyuan,XuNaiyu (SchoolofLifeScience,WuhanUniversity,Wuhan,Chinat430072) AbstractUsingthreedifferenttypesofcytoplasmicmalesterilelines(CMS)ofwheat asmaterials,weinvestigatedtheirmierosporeabortionandmalefertilityrestoration.There, suitswereas壬o11oWS: 1.Mostofmicrosporesof(Ae.mutica)esCMSdegeneratedatlateuninucleatestageand dinucleatestage,However,in(Ae.caudata)csCMSand(Ae.speltoides)esCMS,mostofmi- crosporesdegeneratedatlateuninucleatestage. 2.WhentheT-typerestorerlineswereusedtotest—crosswiththreedifferentty pesof CMSrespectively,thedegreeofmalefertilityrestorationintheF1hybridewqsdifferent. Keyscytoplastoicmaiesterile,microsporeabortion,ma1efertilityrestoration,1 wheat