水稻黃化轉(zhuǎn)綠型自然突變體的遺傳分析

水稻黃化轉(zhuǎn)綠型自然突變體的遺傳分析

葉色突變體是研究水稻光合作用機(jī)制、葉片綠色體結(jié)構(gòu)功能和遺傳發(fā)育調(diào)節(jié)機(jī)制的理想材料，可作為各種優(yōu)勢(shì)利用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在育種實(shí)踐中,葉色變異可作為標(biāo)記性狀,在三系和兩系雜交水稻親本繁殖、雜交制種、雜交種子純度鑒定等方面得到利用。在兩系法雜交水稻的育種和生產(chǎn)應(yīng)用中,人們發(fā)現(xiàn)光溫敏不育系普遍存在不育性表達(dá)不穩(wěn)定的問題;同時(shí),一些優(yōu)良的三系雜交水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育系也出現(xiàn)類似的問題。因此,如何有效提高親本繁殖制種過程中的除雜效率,快速準(zhǔn)確鑒定種子生產(chǎn)過程中因育性波動(dòng)可能出現(xiàn)的種子純度問題,已成為雜交水稻研究和應(yīng)用中的一個(gè)重要課題。從葉色突變表達(dá)的時(shí)期來劃分,目前發(fā)現(xiàn)并在育種中利用的葉色突變體主要有兩種類型,一是在植株發(fā)育的某個(gè)階段表現(xiàn)突變?nèi)~色,主要在苗期,后期葉色均轉(zhuǎn)為正常綠色;如沈圣泉等、Su等報(bào)道的白化轉(zhuǎn)綠型葉色突變體;Wu等報(bào)道的黃綠葉突變體;二是整個(gè)生育期表現(xiàn)突變?nèi)~色,如宋克堡等、沈圣泉等報(bào)道的淡黃葉和黃葉突變體,劉國民等報(bào)道的黃綠葉突變體。由于只在苗期表達(dá)的葉色突變體后期無標(biāo)記效用,而全生育期表達(dá)的葉色突變體,其光合生理可能受到影響,因此從一定程度上限制了這兩種類型的葉色突變體在育種上的廣泛應(yīng)用。本研究在水稻新保持系材料選育后代群體中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的葉色自然突變體,該突變體與上述兩種類型葉色突變體不同,其主莖和分蘗的每一片葉都表現(xiàn)為葉片發(fā)育前期黃化,后期逐漸轉(zhuǎn)綠的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程;就單個(gè)葉片而言,突變表型只在葉片發(fā)育前期表達(dá),后期轉(zhuǎn)綠;但就整個(gè)植株而言,從苗期到分蘗劍葉全展以前的整個(gè)葉片生長(zhǎng)發(fā)育期都能觀察到葉片黃化轉(zhuǎn)綠的突變特性。本文對(duì)該突變體的主要農(nóng)藝性狀和遺傳行為進(jìn)行觀察和分析,通過雜交轉(zhuǎn)育成帶葉色標(biāo)記性狀的水稻新不育系并觀察其所配雜交組合的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn),以期為該突變基因的分子定位、功能研究及生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1轉(zhuǎn)綠型自然突變株在T98B/金23B//宜香1B雜交后代群體中發(fā)現(xiàn)的一株葉色黃化轉(zhuǎn)綠型自然突變株,該突變株主莖和分蘗的所有葉片都能觀察到葉色由黃轉(zhuǎn)綠的發(fā)育特性,經(jīng)過多代自交擴(kuò)大群體,突變性狀和其它農(nóng)藝性狀表現(xiàn)遺傳穩(wěn)定無分離,形成群體整齊一致、性狀穩(wěn)定表達(dá)的突變系。1.2農(nóng)藝性狀調(diào)查2013年春季在三亞田間種植突變體和野生型材料,抽穗期觀察記載始穗期,成熟期取樣考察株高、穗長(zhǎng)、單株有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、單株產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。為研究突變體的遺傳特性,利用突變體與豐源B和宜香1B雜交,與豐源A測(cè)交并回交,觀察各雜交、回交組合的F1、F2、BC1F1群體的葉色表現(xiàn)和分離情況,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。1.3黃化轉(zhuǎn)綠型階段回交轉(zhuǎn)選育將穩(wěn)定的黃化轉(zhuǎn)綠型葉色突變系與三系不育系豐源A測(cè)配,F1植株葉片表現(xiàn)正常綠色,選擇敗育徹底不育株與葉色突變體回交轉(zhuǎn)育成BC1F1,在BC1F1群體中出現(xiàn)突變?nèi)~色與正常綠色不育株,選擇雄性敗育徹底且?guī)в型蛔內(nèi)~色的不育株與葉色突變體成對(duì)回交轉(zhuǎn)育,在高世代回交群體中繼續(xù)選擇葉色標(biāo)記性狀全不育、株葉形態(tài)優(yōu)良的株行成對(duì)回交篩選至BC6F1,獲得穩(wěn)定的黃化轉(zhuǎn)綠型葉色標(biāo)記三系不育系和保持系,命名為熱農(nóng)1A和熱農(nóng)1B。1.4雜交黨支部組系雜能利用及產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)以黃化轉(zhuǎn)綠型葉色標(biāo)記三系不育系熱農(nóng)1A為母本,與R116、R118、R121、R124、R126、R527、R599、華占等8個(gè)三系恢復(fù)系雜交配組,以海南省審定并推廣應(yīng)用的雜交稻組合粵優(yōu)589為對(duì)照品種,考察測(cè)交F1代組合的主要農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)。2結(jié)果與分析2.1冷刺劑為苗木、分蝽期、抽穗期為5種突變體的農(nóng)藝性狀表1突變體植株3葉以內(nèi)表現(xiàn)為黃化,4葉期左右時(shí)第1~3葉開始轉(zhuǎn)綠,隨后的主莖與分蘗葉片都表現(xiàn)為由黃轉(zhuǎn)綠的發(fā)育過程。觀察單個(gè)葉片可發(fā)現(xiàn),突變表型只在葉片發(fā)育的前期表達(dá),后期由葉尖向葉基部逐漸轉(zhuǎn)綠;觀察整個(gè)植株發(fā)現(xiàn),從苗期到分蘗劍葉全展以前的整個(gè)葉片生長(zhǎng)發(fā)育期能持續(xù)不斷的觀察到葉片依次由黃轉(zhuǎn)綠的突變特性。突變體在苗期、分蘗期、抽穗期田間表現(xiàn)如圖1所示。通過考察比較突變體與野生型的主要農(nóng)藝性狀,從表1可以看出:突變體比野生型始穗遲兩天左右,單株有效穗數(shù)突變體多于野生型;株高、穗長(zhǎng)、每穗著粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和單株產(chǎn)量都比野生型有所減少;統(tǒng)計(jì)分析表明,突變體與野生型在所考察的8個(gè)主要農(nóng)藝性狀上的差異都沒有達(dá)到顯著水平。2.2常綠苗和黃化苗突變體與豐源B、宜香1B雜交F1代植株葉片均表現(xiàn)正常綠色,F2代群體分離出葉色差異明顯的正常綠苗和黃化苗;突變體與豐源A雜交,F1代植株葉片也都表現(xiàn)正常綠色苗,回交一代群體分離出現(xiàn)正常綠苗和黃化苗,卡方測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明,F2代群體綠苗與黃化苗的分離比例符合3∶1,回交一代群體綠苗與黃化苗的分離比例符合1∶1(表2),說明該突變性狀受一對(duì)隱性核基因控制。2.3海南種植熱農(nóng)a的特性利用穩(wěn)定黃化轉(zhuǎn)綠型葉色突變株系為父本,以豐源A為母本,經(jīng)多代成對(duì)回交選育成帶有隱性黃化轉(zhuǎn)綠型葉色標(biāo)記性狀的三系不育系熱農(nóng)1A,該不育系主莖與分蘗所有葉片同樣表現(xiàn)為由黃轉(zhuǎn)綠的發(fā)育過程。熱農(nóng)1A具有早熟、矮稈、不育徹底等優(yōu)點(diǎn),在海南三亞早稻播種至始穗天數(shù)75~83d左右,海南儋州晚稻播始?xì)v期天數(shù)約70d;不育系株高66~70cm,株型適中,葉鞘、稃尖及柱頭紫色,長(zhǎng)勢(shì)繁茂、分蘗力強(qiáng)。單株平均成穗18個(gè),單穗總粒數(shù)平均126粒,穗長(zhǎng)21.9cm;谷長(zhǎng)9.8mm,長(zhǎng)寬比3.3,千粒重25.5g?；ǚ蹟∮缘鋽橹?花粉不育度99.9%以上,套袋自交不育株率100%。抽穗期田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)熱農(nóng)1A異交特性較好,花時(shí)早而集中,開穎時(shí)間長(zhǎng)、開穎角度大、柱頭較大;柱頭總外露率為65%以上,其中雙邊外露率40%以上,柱頭活力較強(qiáng),異交結(jié)實(shí)率可達(dá)51%左右,繁制種產(chǎn)量高。熱農(nóng)1A稻米品質(zhì)主要指標(biāo)測(cè)定結(jié)果為,糙米率79.2%,精米率71.1%,整精米率52.8%,米粒長(zhǎng)7.1mm,長(zhǎng)寬比2.8,堊白粒率55%,堊白度5.6%,直鏈淀粉含量23.8%。2.4標(biāo)記選育組合葉片的性狀2012年晚季利用恢復(fù)系R116、R118、R121、R124、R126、R527、R599、華占等三系恢復(fù)系材料與熱農(nóng)1A配組。2013年早季在三亞對(duì)雜交組合進(jìn)行田間觀察與室內(nèi)考種,葉色標(biāo)記不育系所配組合葉片均表現(xiàn)正常綠色,株葉型好,群體整齊一致,抗性較好,田間未發(fā)現(xiàn)稻瘟病、白葉枯病和飛虱為害。從表3可以看出,所配組合播始?xì)v期在82~92d之間,株高81~97cm;單株有效穗數(shù)均多于對(duì)照組合,平均每穗總粒數(shù)144.20粒,結(jié)實(shí)率92.01%,千粒重29.06g,理論產(chǎn)量達(dá)到10.44t/hm2,平均比對(duì)照增產(chǎn)7.73%,最高達(dá)21.92%。上述數(shù)據(jù)表明葉色標(biāo)記不育系的一般配合力和可恢復(fù)性好,所配雜交組合具有早熟矮稈、抗倒力強(qiáng)、結(jié)實(shí)率高,穗大粒多,千粒重大,部分組合理論產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)較對(duì)照明顯,展示出良好的應(yīng)用潛力。3突變性狀的基因特征和應(yīng)用葉色突變作為一種十分明顯,易于觀察的性狀突變,在基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)應(yīng)用中的利用價(jià)值備受關(guān)注。根據(jù)突變體葉色表型Gustaffsson將葉色突變體分為白化、黃化、淺綠、條紋、斑點(diǎn)5大主要類型,Awan等則將葉色突變體細(xì)分為白化、黃化、淺綠、綠白、白翠、黃綠、綠黃和條紋8種類型。從葉色突變表達(dá)的時(shí)期來劃分,目前報(bào)道的主要有苗期表達(dá)和整個(gè)生育期表達(dá)兩種類型。本文發(fā)現(xiàn)的葉色突變體葉色表型表現(xiàn)形式與上述兩種類型有所不同,突變體植株的所有葉片都經(jīng)歷一個(gè)黃化轉(zhuǎn)綠的發(fā)育過程,由于每片葉都只在葉片發(fā)育前期表達(dá),后期轉(zhuǎn)綠,能夠合成足夠的葉綠素進(jìn)行光合作用,滿足生長(zhǎng)過程需要的物質(zhì)積累,不影響植株的正常生長(zhǎng)發(fā)育;該突變體主莖到分蘗葉片依次由黃轉(zhuǎn)綠的特性對(duì)于揭示水稻葉片葉綠素合成、葉綠體發(fā)育與分化過程可能具有重要研究?jī)r(jià)值。通過正反交、回交對(duì)F1、F2、BC1F1等經(jīng)典遺傳學(xué)分析結(jié)果表明突變性狀受一對(duì)隱性核基因控制,遺傳行為簡(jiǎn)單。筆者已構(gòu)建遺傳群體,目前正開展該突變基因的定位、克隆和功能研究。葉色突變往往直接或者間接影響葉綠素的合成降解,導(dǎo)致光合效率下降,造成植株生長(zhǎng)發(fā)育不正常而減產(chǎn),多數(shù)已報(bào)道的水稻葉色突變體因此而不能應(yīng)用于育種實(shí)踐。從本研究中的黃化轉(zhuǎn)綠型葉色突變體與野生型主要農(nóng)藝性狀的比較來看,在所考察的8個(gè)主要農(nóng)藝性狀上突變體與野生型之間的差異都沒有達(dá)到顯著水平。說明該突變性狀對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育沒有產(chǎn)生顯著的不利影響,與野生型的特征特性基本一致,有利于該突變體在育種中應(yīng)用。利用綜合性狀優(yōu)良,且受隱性核基因控制的葉色突變體,通過雜交、回交等手段將葉色突變基因?qū)肴祷騼上档牟挥抵?可有效提高親本繁育過程中的除雜保純效率;也可快速準(zhǔn)確鑒定種子生產(chǎn)過程中因育性波動(dòng)可能出現(xiàn)的種子純度問題。如在三系或兩系不育系親本繁殖時(shí),苗期即可輕易識(shí)別葉片表現(xiàn)為綠色的雜株,確保原種純度;雜交制種時(shí),快速去除母本中的綠苗可促進(jìn)除雜效率,有效提高雜交稻種子純度;對(duì)于雜交稻制種過程中遇異常溫度導(dǎo)致不育系育性波動(dòng)的雜交種子進(jìn)行純度鑒定時(shí),可將收獲的雜交種子在當(dāng)?shù)匮硖锘驅(qū)嶒?yàn)室播種,因育性波動(dòng)導(dǎo)致不育系自交結(jié)實(shí)的種子將表現(xiàn)為標(biāo)記性狀葉色,從而在幼苗期即可鑒定出種子純度,具有快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、低成本的特點(diǎn)。近年來育種家已經(jīng)選育出多個(gè)帶有葉色標(biāo)記的不育系,部分材料在雜交水稻生產(chǎn)上得到應(yīng)用。如舒慶堯等、沈圣泉等、趙海軍等選育的苗期白化后期轉(zhuǎn)綠的葉色標(biāo)記不育系全龍A、白豐A、玉兔S;沈圣泉等、宋克堡等、劉國民等選育的全生育期表達(dá)標(biāo)記葉色的黃葉不育系黃玉A,淡黃葉不育系標(biāo)810S,黃綠葉不育系黃標(biāo)A系列。本文發(fā)現(xiàn)的突變材料是一個(gè)農(nóng)藝性狀優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)保持系材料,保持能力強(qiáng),通過回交轉(zhuǎn)育成的黃化轉(zhuǎn)綠型葉色標(biāo)記三系不育系熱農(nóng)1A標(biāo)記性狀明顯,植株較矮