同源四倍体水稻亲本材料的结实研究

同源四倍体水稻亲本材料的结实研究 同源四倍体水稻亲本材料的结实研究 应用与环境生物2007,13(5):620,623 ChinJApplEnvironBiol=ISSN1006-687X 同源四倍体水稻亲本材料的结实研究水 刘玉花栾丽陈英龙文波涂升斌孔繁伦何涛 (中国科学院成都生物研究所成都610041) 摘要研究了2份二倍体水稻和29份同源四倍体水稻(2n=4x=48)亲本(其中4份低代材料,25份高代材料)在 2004年和2005年的结实情况.与二倍体对照相比,同源四倍体材料的花粉育性,结实率均不同程度下降,尤其低代材 料的花粉育性(59.6%一65.3%)和结实率(26.8%一33.5%)大幅度降低;但经过选择改良,大多数材料的花粉育性和 结实率均不同程度提高.F检验表明,同源四倍体不同品种问各性状均差异显着,说明同源四倍体材料具有很大的改 良潜力.从1996年到2005年对部分同源四倍体水稻进行了连续选择改良,并对其结实率进行检验,结果表明经过9 a的选择改良,同源四倍体水稻结实率显着提高.本文还对同源四倍体水稻各性状问的相关性进行了分析,结果表明, 结实率与花粉育性,穗着粒数,穗实粒数极显着相关,理论产量与花粉育性,有效穗数,穗着粒数,穗实粒数,结实率及 千粒重极显着相关.表3图1参18 关键词同源四倍体;水稻;花粉育性;结实率 CTCS511.03 SeedSetofParentalMaterialsofAutotetraploidRice LIUYuhua,LUANLi,CHENYing,LONGWenbo,TUShengbin 一,KONGFanlun&HETao (ChengduInstituteofBiology,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China) Abstract2diploidand29autotetraploidrice(2n=4x=48)parentalmaterials,including4preliminaryand25advanced generations,wereinvestigatedforseedsetcharacters.Comparedwithdiploidcontrol,thepollenfertilityandseedsetofautote— traploiddeclineddramatically,especiallyinpreliminarygenerations,andtheywereonly59.6%一65.3%and26.8%一 33.5%,respectively.However,pollenfertilityandseedsetofthemostautotetraploidricematerialsincreasedafterselected andimproved.F— testindicatedthattherewereremarkabledifferencesamongdifferentvarieties,showingthattheautotetraploid materialshadhugepotentialsforgeneticimprovement.From1996to2005,someautotetraploidricehadbeenselectedandim— proved,andT-testwasconductedbetweenseedsetof1996andthatof2005.Theresultsshowedthatseedsetincreasedobvi— ously.Therelationshipsamongtraitsofautotetraploidwereanalyzed.Seedsetwassignificantlycorrelatedwithpollenfertility, totalgrainnumberperpanicleandproductivegrainnumberperpanicle;andtheoreticalyieldwassignificantlycorrelatedwith pollenfertility,productivepaniclenumberperplant,totalgrainnumberperpanicle,productivegrainnumberperpanicle, seedsetand1000一grainweight.Fig1,Tab3,Ref18 Keywordsautotetraploid;rice;pollenfertility;seedset CICS511.03 多倍化是植物界广泛存在的一种物种形成机制,当今世界 上大量种植的很多作物,如小麦,燕麦,棉花,烟草及甘蔗等都 是多倍体….多倍体是植物变异发生的重要途径之一,对于物 种进化和育种具有很重要的意义.在被子植物中,约70%的种 类在进化史中曾经发生过一次或多次多倍化过程J.从自然 界存在这样多的多倍体来看,多倍体育种应是一种行之有效的 新途径,可以培育新物种或新作物.同源四倍体水稻(2n=4x= 48)是二倍体水稻(2n=2x=24)经染色体加倍而形成的,由于 其基因组增加了一倍,可能隐含着更高的增产潜力和更广的适 应性,所以培育同源四倍体水稻有可能成为水稻产量和品质再 上新台阶的途径之一.同源四倍体水稻具有生长势强,生物 学产量高,籽粒大,米质好和抗逆性强等特点,这在几十年前就 收稿日期:2006-07.25接受日期:2006-09.21 }中国科学院"西部之光"人才项目资助Supposedbythe"Light ofWest"ProjectoftheChineseAcademyofSciences }}通讯作者Correspondingauthor(E-mail:passy@126.com) 已经引起了一些水稻育种者的关注.然而,同源四倍体水稻 结实率都比较低,大大限制了其在生产上的广泛应用.近年来 的研究结果表明,在四倍体水平利用原始亚种问强大的杂种优 势效应来进一步提高水稻增产潜力,是水稻育种中值得探索的 新方向LSA;本课题组经过多年研究,也发现同源四倍体水稻的 结实率和其它性状存在很大的改良潜力. 本文以本课题组培育的同源四倍体水稻亲本为材料,以 G46B和明恢63为二倍体对照,连续2a进行花粉育性及结实 率等性状的研究,同时还对部分同源四倍体材料的结实率进行 了连续9a的选择改良,以探讨同源四倍体水稻的遗传改良效 果,加快水稻的育种进程,筛选出具有实用价值的同源四倍体 水稻新种质. 1材料和方法 1.1材料 本实验选用中国科学院成都生物研究所经细胞水平染色体 5期刘玉花等:同源四倍体水稻亲本材料的结实研究621 加倍而创制的同源四倍体水稻,其中D宜香B,D协青早B,D 什香,DL10为2004年在海南种植的加倍当代材料,2004年在 温江为第2代,2005年为第3代.G46B,明恢63分别为二倍体 对照(ck),其余25份为经过选择的高代同源四倍体水稻. 1.2方法 1.2.1加倍当代同源四倍体水稻的获得及鉴定二倍体水 稻经细胞水平染色体加倍,形成同源四倍体水稻再生植株,移 入大田栽培,取生长旺盛,处于分蘖期的健壮植株,剪去老根, 放入生根液中浸泡1—3d,待新的根尖长到1,2cm时,取粗 壮的根尖,用去壁低渗法制备染色体标本,观察染色体数目. 1.2.2田间及试验所有试验材料分别于中国科学院 成都生物研究所温江高新生物技术试验基地种植,种植标准相 同:随机区组排列,重复3次,每小区5行,每行12株,行距 0.25m,株距0.18m,单株栽植,采用常规田问管理.于2004 年7月20日,2005年7月22日开始在每个重复小区对抽穗 的材料进行随机取穗,参考黄群策1999年的方法进行花粉育 性鉴定. 在各种材料成熟时,每种材料在3个重复小区中间随机取 8株进行室内考种,对穗长,有效穗数,穗着粒数,穗实粒数,结 实率及千粒重进行统计,并求出理论产量,理论产量:千粒重 ×单株有效穗×每穗实粒数×0.0003(t/hm). 实验数据通过SPSS11.5统计软件进行统计分析. 2结果与分析 2.1同源四倍体水稻的获得及鉴定 通过细胞水平染色体加倍法获得的再生植株数量大,且大 田移栽成活率高,为同源四倍体材料筛选创造了条件.移于田 间的植株,先根据外形特征,如器官的巨型性,叶片颜色,厚度, 大小等进行初筛,再通过对根尖染色体标本观察,得染色体数 目均为48条,证明获得的植株是同源四倍体水稻. 2.2同源四倍体水稻的花粉育性及结实率 连续2a的花粉育性观察统计,结果见图1,同源四倍体高 代材料为74.4%一93.2%,虽略低于二倍体对照品种,但均比 较正常,即存在较多的正常花粉粒;低代材料的花粉育性为 59.6%一69.4%,比二倍体对照大幅度降低. 图12004和2005年同源四倍体水稻花粉育性及结实率 Fig.1Pollenfertilityandseedsetofautotetraploidricein2004and2005 1,30分别表示:D协青早B,D宜香B,D46B,D19B,DTB,D金23B,DCB,D常菲22B,D32B,G46B,D什香,DL10,D成恢149,H5409,rrP. 4,H5815,DIAF3,D海天,Ac27,196043,29矮,H5905,H5609,D乌血糯,H5776,D明恢63,TP-3,DCDR22,D巴西,明恢63 1,30indicating:DXieqingzaoB,DYixiangB,D46B,D19B,DTB,DJin23B,DCB,DChangfei 22B,D32B,G46B,DShixiang,DL10,DChenghui 149,H5409,'137-4,H5815,DIAF3,DHaitian,Ac27,D6043,29ai,H5905,H5609,DWuxue nuo,H5776,DMinghui63,TP-3,DCDR22,DBaxi, Minghui63 从图1还可以看出,同源四倍体高代材料的结实率大多数 集中在50%左右.高代保持系材料的结实率,2004年为 43.5%,56.3%,其中D金23B最高,2005年为48.2%一 57.3%,D金23B仍最高,仅比对照品种G46B低6.5%;高代 恢复系材料的结实率,2004年为40.4%,62.0%,2005年为 46.7%,70.5%,29矮结实率均最高.低代材料的结实率均较 低,20o4年为26.8%,33.5%,2005年为30.4%,38.4%, 远低于二倍体对照. 以上结果表明,与二倍体对照品种相比,同源四倍体水稻 的花粉育性和结实率均不同程度降低,特别是低代材料的花粉 育性和结实率大幅度降低. 2.3同源四倍体水稻的变异性及遗传改良效果 2.3.1同源四倍体水稻不同品系的变异性同源四倍体水 稻及二倍体对照各性状的变异情况见表1.在花粉育性,有效 穗,穗着粒数,穗实粒数,结实率,理论产量等方面,同源四倍体 材料的平均值均低于二倍体对照,但极差均大于二倍体对照, 其中同源四倍体2005年结实率的平均值为52.1%,极差为 72.6%,而二倍体对照分别为70.9%和30.4%;在穗长和千粒 重方面,同源四倍体材料的平均值和极差均大于二倍体对照, 如同源四倍体2005年千粒重的平均值,极差分别为37.0g和 23.8g,均大于二倍体对照的28.1g和5.6g;对于同源四倍体 材料来说,2005年各性状的平均值均高于2004年的,表明经 过1a的选择改良,各性状均有所提高. 同源四倍体各性状中,理论产量的变异系数最大,2004 年,2005年分别为64.0%和61.8%,穗实粒数和有效穗的变 异系数也较大;而育性和结实率的变异系数,2004年分别为 622应用与环境生物ChinJApplEnvironBiol13卷 13.2%和29.4%,2005年分别为12.3%和27.3%;同源四倍 体水稻各性状的变异系数均大于二倍体对照.F检验结果表 明,同源四倍体水稻各性状的差异在不同品系中均达极显着水 平,说明同源四倍体材料存在很大的遗传改良潜力. 表18个性状变异的分析结果 Table1Variationsof8traitsintestedvarieties P<0.01,P<0.05.F同Thesamebelow 2.3.2部分同源四倍体材料连续9a的遗传改良效果从 1996年到2005年,对部分同源四倍体水稻进行连续选择改良, 其结实率均得到不同程度提高,如表2,由1996年的13.5%一 47.4%提高到2005年的48.2%,70.5%,而差异显着性检验结 果均达极显着水平,表明四倍体材料经过连续9a的改良,结实 率得到明显提高,即同源四倍体水稻在结实率方面存在很大的 改良潜力,可以通过选择改良获得高结实率的材料. 2.4同源四倍体水稻各个性状之间的相关关系 表3列出各性状问相关系数,可以看出,结实率与花粉育 性,穗着粒数,穗实粒数间的相关系数分别为0.43,0.26,0.76. 均达极显着水平,表明结实率与花粉育性,穗着粒数,穗实粒数 均密切相关;理论产量与花粉育性,有效穗,穗着粒数,穗实粒 数,结实率,千粒重间的相关系数分别为0.36,0.54,0.54, 0.72,0.58,0.33,P值均小于0.01,表明理论产量与花粉育性, 有效穗,穗着粒数,穗实粒数,结实率及千粒重等均极显着相关 表2同源四倍体材料结实率的改良效果(部分) Table2Improvementresultofseedsetonautotetraploidrice(part) 材料 Material 结实率Seedset(?%)2005与1996年 —— 结实率值 1996200020042005Tva1ueofseedset 表38个性状的相关关系 Table3Correlationof8traitsintestedvarieties 3讨论 3.1同源四倍体水稻结实率低的可能原因 同源四倍体水稻结实率下降是其生殖特性上最显着的变 化'.本研究结果表明,同源四倍体水稻花粉育性,结实率均 降低,低代材料更是大幅度下降,这一直是育种学家关注的问 题.近年来,有一些关于同源四倍体水稻结实率的研究,黄群策 等人研究发现,同源四倍体水稻正常蓼型胚囊数少,退化型 和变异型胚囊数多,认为胚囊败育是影响结实率的主要因素之 一;王兰等指出同源四倍体水稻极核受精异常和胚乳发育 障碍是结实率低的原因;而肖波等认为部分胚囊败育和受 精异常(未能受精和受精停滞)是导致同源四倍体水稻结实率 低的主要原因;二倍体水稻经染色体加倍形成同源四倍体后, 5期刘玉花等:同源四倍体水稻亲本材料的结实研究623 同源染色体联会配对时会发生不等交换,造成部分基因重复或 丢失12],可能会诱发与结实有关的基因沉默,引发基因组 DNA甲基化模式的改变,进而影响植物的结实率;而基因 的剂量效应及其互作效应等可能破坏已平衡的生理生化功 能],造成生理不协调,使同源四倍体材料生活力较弱而影 响结实率. 本文相关性分析研究结果表明,同源四倍体水稻结实率与 花粉育性,穗着粒数及穗实粒数密切相关,从相关系数值来看, 结实率与穗实粒数之间的相关性最强,与花粉育性间的相关性 次之,而同源四倍体水稻花粉育性低,穗着粒数,穗实粒数大幅 度减少,这正是导致同源四倍体水稻结实率低的重要原因.之 前本课题组刮对同源四倍体水稻进行的细胞学研究发现,同 源四倍体在减数分裂过程中,配对形成的多价体不规则分离, 产生细胞学上的不平衡配子,使正常花粉粒减少,导致穗实粒 数减少,造成结实率偏低;而染色正常的花粉在生长过程中也 会因种种原因不能结实,使穗实粒数减少,从而造成结实率降 低,这与吴先军的研究结果相似. 3.2同源四倍体水稻的遗传选择改良 结实率低是影响和限制同源四倍体水稻在生产上直接应 用的关键问题,早在上世纪50年代,日本,前苏联和印度等国 便对同源四倍体水稻的应用有过较多研究,我国从1951年开 始同源四倍体水稻的育种,试图选育具有增产潜力的同源四倍 体水稻新品种,但均因结实率低而未获得突破性进展.本研究 经过选育,大多数同源四倍体水稻结实率均有所提高,而对部 分材料进行连续9a的选择改良,结实率更是明显提高.这与 以前我国学者研究结果相符合,即同源四倍体水稻上,下代之 间结实率一般都存在相关关系,说明遗传是影响结实率的主要 因素,从理论上肯定了株选,穗选,粒选的效果,为同源四倍 体水稻的遗传改良育种提供依据. 本研究结果表明,同源四倍体水稻各性状的变异系数均大 于二倍体对照,说明同源四倍体水稻具有更高的变异性和较大 的选择潜力,这样在选材时可以根据育种目的,更好地选择各 个性状相对优良的材料.同源四倍体水稻结实率与穗着粒数, 穗实粒数显着相关,而穗着粒数和穗实粒数经过选择改良均有 所提高,且它们自身的变异系数大,即不同材料或同一材料的 不同单株问差异很大,可通过选择着粒数和实粒数相对多的穗 或单株来提高结实率.理论产量与穗长,有效穗,穗着粒数,穗 实粒数,结实率和千粒重密切相关,而穗长,有效穗数,穗着粒 数,穗实粒数和结实率均低于二倍体对照,特别是有效穗数,穗 着粒数和穗实粒数比二倍体对照大幅度减少,正是导致理论产 量降低的重要原因,在材料的选育过程中不仅要提高结实率, 还应注重有效穗,穗着粒数,穗实粒数等其它产量性状的选择 改良. 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