一個反向水稻兩用核不育系育性對溫度與光周期的反應(yīng)

徐孟亮, 張 俊, 龔 曼, 梁滿中, 陳良碧

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，中國 長沙 410081)

自20世紀(jì)60年代初，袁隆平開創(chuàng)水稻雜種優(yōu)勢利用研究以來，我國雜交水稻的研究與應(yīng)用一直居國際領(lǐng)先地位[1-3]．1970年，李必湖與馮克珊在海南發(fā)現(xiàn)核質(zhì)互作型雄性不育系“野敗”，1973年在國際上首次育成能應(yīng)用于生產(chǎn)的秈型三系雜交水稻，1976年，三系雜交水稻開始在我國大面積推廣．但是，三系法的育種程序和生產(chǎn)環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，以致選育新組合的周期長、效率低，推廣的環(huán)節(jié)多、速度慢，限制三系法雜交稻種植面積的擴(kuò)大和單產(chǎn)的提高[1]．1981年，石明松報道晚粳自然兩用系的發(fā)現(xiàn)[4]，后被命名為湖北光周期敏感核不育水稻[5]，又稱農(nóng)墾58S．與核質(zhì)互作型的三系不育系相比，兩用核不育系有許多優(yōu)點，如制種程序簡單，生產(chǎn)成本低；不受恢保關(guān)系制約，配組自由，恢復(fù)譜廣，易于配出強(qiáng)優(yōu)勢組合；不育性由1～2對主效基因控制，遺傳行為簡單，易于轉(zhuǎn)育與穩(wěn)定；細(xì)胞質(zhì)無負(fù)效應(yīng)且可避免細(xì)胞質(zhì)單一化的潛在威脅等[1，6]．對W3111S、N5047S、7001S等粳型兩用核不育系和W6154S、安農(nóng)S-1、衡農(nóng)S-1、培矮64S、810S、準(zhǔn)S、株1S等秈型兩用核不育系材料的育性轉(zhuǎn)換規(guī)律研究表明[1,3,7]：水稻兩用核不育系可分為2個基本類型，即除了象農(nóng)墾58S一樣以光周期控制為主的光敏型(后來的研究表明，光敏型育性也受溫度影響)外，還有以溫度控制為主或完全受溫度控制的溫敏型，即高溫不育、低溫可育型．后來，我國又選育出育性轉(zhuǎn)換方向與農(nóng)墾58S、安農(nóng)S-1、衡農(nóng)S-1等兩用核不育系相反的新型兩用核不育系，即短日不育、長日可育或低溫不育、高溫可育的類型[8-13]，稱為反向水稻兩用核不育系，而以前發(fā)現(xiàn)和選育的光、溫敏核不育系相應(yīng)地稱為正向水稻兩用核不育系．

無論是哪種類型的水稻兩用核不育系，它們與核質(zhì)互作型的三系不育系相比，雖然具有上述眾多優(yōu)點，但都有一個共同的弱點，即它們的育性易受環(huán)境溫度影響而不穩(wěn)定，影響制種與繁殖．但不同的兩用核不育系育性受環(huán)境溫度影響的程度不同，差異很大．生產(chǎn)上，只有那些在一定溫光條件下育性相對穩(wěn)定的兩用核不育系才具有實用價值．因此，新選育的水稻兩用核不育系必須對其進(jìn)行育性鑒定，才能知道它是否具有實用價值，育性鑒定包括溫光反應(yīng)類型的鑒定及育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度鑒定[14]．本研究旨在對湖南衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育的一個早秈型反向水稻兩用核不育系go3S的溫光反應(yīng)類型以及育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度進(jìn)行鑒定，旨在為其應(yīng)用提供參考依據(jù)．

1 實驗部分

1.1 材料

水稻兩用核不育系go3S(早秈型)由湖南省衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供．種子分兩批于2005年5月14日與5月29日播種．適時移栽于盆中，每盆栽10株，栽30盆，共300株，分成6組，每組5盆共50株，待材料發(fā)育至育性轉(zhuǎn)換光敏感期或溫敏感期時，進(jìn)行光周期與溫度處理．

1.2 方法

1.2.1 自然條件下的育性表現(xiàn)觀測 從go3S見穗開始，逐日觀察其花藥是否散粉、散粉程度并抽樣鏡檢花粉可染率與考查自交結(jié)實率，直至抽穗結(jié)束．

1.2.2 光周期處理方式 當(dāng)go3S發(fā)育至二次枝梗及穎花原基分化期時(Ⅲ期)，進(jìn)行長、短日處理，直至花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期結(jié)束(Ⅵ期)，處理15 d．長日處理利用長沙7月上、中旬的自然長日條件(日照長度14 h左右)，短日處理采用遮光方法進(jìn)行，每日日照12 h，日照時段為7:00～19:00．溫度設(shè)置高溫與低溫兩檔，高溫為2005年長沙7月上、中旬的自然高溫(平均日均溫為30.5 ℃)，低溫為人工控溫(恒定23.5 ℃)．處理完畢，觀測其育性表現(xiàn)．

1.2.3 人工控溫處理方式 當(dāng)go3S發(fā)育至花粉母細(xì)胞形成期時(V期)，進(jìn)行26.0 ℃與28.0 ℃恒溫處理(幼穗長度為2 cm左右)．將材料移入課題組設(shè)計并制造的控溫水池(專利號為ZL 01 2 57528.3)中，水深約20 cm，按徐孟亮等[15-17]的方法連續(xù)處理7 d，直至花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期(Ⅵ期)結(jié)束．處理完畢，移回夏季自然條件下抽穗，目測群體花藥是否散粉、散粉程度并抽樣鏡檢花粉育性與考查自交結(jié)實率．

1.2.4 育性考查 按徐孟亮[18-19]的方法考查．每處理鏡檢與考種10～15株．

1.2.5 網(wǎng)室氣溫記錄 用DWJ1雙金屬溫度自動記錄儀(購于湖南省氣象科學(xué)研究所)每天24 h連續(xù)記錄．

2 結(jié)果與分析

2.1 go3S育性的溫、光反應(yīng)類型鑒定

2.1.1 自然條件下的育性表現(xiàn) 2005年，在長沙夏季的自然條件下，從go3S見穗開始(7月16日)，對其育性表現(xiàn)進(jìn)行了逐日觀察，直至8月11日．其育性轉(zhuǎn)換的溫度敏感期大約在7月初至7月底．據(jù)實地溫度記錄，7月平均日均溫為30.3 ℃，平均日最高溫為 34.3 ℃，平均日最低溫為27.0 ℃；期間出現(xiàn)兩次低溫，一次是7月11～13日，3天的平均日均溫為26.0 ℃，平均日最高溫為28.5 ℃，平均日最低溫為24.2 ℃；另一次是7月20～22日，3天的平均日均溫為25.7 ℃，平均日最高溫為27.3 ℃，平均日最低溫為24.6 ℃．結(jié)果，go3S育性表現(xiàn)不穩(wěn)，出現(xiàn)育性反復(fù)，即7月16～22日可育，7月23～25日不育，7月26～31日又可育，8月1～3日又不育，8月4～11日再次轉(zhuǎn)為可育(表1)．此結(jié)果說明go3S育性表現(xiàn)對溫度變化很敏感，其育性隨溫度波動而波動，且為高溫可育、低溫不育類型，與通常的溫敏型水稻兩用核不育系如安農(nóng)S-1、培矮64S、株1S等育性轉(zhuǎn)換方向相反，說明該兩用核不育系為反向水稻兩用核不育系．

表1 水稻兩用核不育系go3S在自然條件下的育性表現(xiàn)(長沙，2005年)

注：“+”代表散粉，“-”代表不散粉．

2.1.2 不同光周期條件下的育性表現(xiàn) 為了明確光周期對go3S育性是否具有影響，在其雄性育性轉(zhuǎn)換的光敏感期，用4種光溫組合即長日高溫、短日高溫、長日低溫與短日低溫對其進(jìn)行了處理，并對其育性表現(xiàn)進(jìn)行了觀測．結(jié)果表明，在30.5 ℃高溫條件下, go3S長、短日處理均表現(xiàn)可育，自交結(jié)實率略高于40%，花粉可染率為60%左右；而在23.5 ℃低溫條件下，長、短日處理均表現(xiàn)為不育，自交結(jié)實率與花粉可染率均為0(表2)．育性表現(xiàn)在長、短日處理間無顯著差異,但在高、低溫處理間差異顯著．據(jù)此可以判斷，光周期對go3S育性沒有影響，其育性完全受溫度支配，且為高溫可育、低溫不育型．

從自然變溫下的育性表現(xiàn)及不同光周期處理后的育性表現(xiàn)結(jié)果，可以確定go3S為反向溫敏型水稻兩用核不育系，其育性轉(zhuǎn)換方向與通常的溫敏型水稻兩用核不育系相反．

表2 水稻兩用核不育系go3S育性對不同光溫組合的反應(yīng)

注：光溫處理時期為二次枝梗及穎花原基分化期至減數(shù)分裂期；處理期間高溫為自然日均溫30.5 ℃，低溫為人工恒定水溫23.5 ℃．

2.2 go3S育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度鑒定

根據(jù)自然氣溫條件下的育性表現(xiàn)(表1、表2)，初步估計其育性轉(zhuǎn)換的臨界日均溫介于26.0～30.5 ℃之間．為了更準(zhǔn)確地確定其育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度，在其育性轉(zhuǎn)換溫敏感期進(jìn)行了7 d 26.0 ℃與28.0 ℃恒溫水處理．結(jié)果表明，用26.0 ℃恒溫水處理，表現(xiàn)不育，自交結(jié)實率與花粉可染率均為0；用28.0 ℃恒溫水處理，也表現(xiàn)不育，自交結(jié)實率0，但個別單株出現(xiàn)微量可染花粉(表3)，說明其可育性已啟動，其育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度界于28.0～30.5 ℃之間．

表3 水稻兩用核不育系go3S育性對不同溫度的反應(yīng)

注：處理時期為花粉母細(xì)胞形成期與減數(shù)分裂期(V～Ⅵ期)，共7 d．

3 討論

選育具有實用價值的水稻兩用核不育系是組配優(yōu)良兩系雜交水稻組合的關(guān)鍵技術(shù)之一，判斷一個水稻兩用核不育系是否具有實用價值，首先要考慮的因素是其育性是否穩(wěn)定，即在制種時，要求其不育性穩(wěn)定，不育株率要求達(dá)100%，不育度要求大于99.5%；而在繁殖時，又要求其可育性穩(wěn)定，要求自交結(jié)實率在30%以上[1]．根據(jù)對go3S育性的溫光反應(yīng)研究結(jié)果，該水稻兩用核不育系為反向溫敏型水稻兩用核不育系，光周期對其育性沒有影響，育性轉(zhuǎn)換的臨界溫度介于28.0～30.5 ℃之間．依據(jù)其育性的溫光反應(yīng)特點，從育性穩(wěn)定性方面考量，該反向溫敏型水稻兩用核不育系應(yīng)具有一定的實用價值．在高緯度地區(qū)(如我國東北)、高海拔地區(qū)(如云貴高原)等地區(qū)以及低緯度地區(qū)(如海南三亞)的冬季或早春季節(jié)均可進(jìn)行制種，而在中、低緯度、低海拔地區(qū)的盛夏季節(jié)(如長江流域的7月中下旬與8月上旬)可進(jìn)行繁殖，在有溫泉的地區(qū)，采用溫水灌溉也應(yīng)可進(jìn)行繁殖．目前，生產(chǎn)上應(yīng)用的水稻兩用核不育系如培矮64S、株1S、88S等均為正向水稻兩用核不育系，其制種與繁殖的時空條件均受到一定程度的限制．如能將反向水稻兩用核不育系應(yīng)用于生產(chǎn)的話，正好可起到互補(bǔ)的作用，可進(jìn)一步拓寬水稻兩用核不育系制種與繁殖的時空范圍，從而有助于兩系法雜交水稻的發(fā)展．因此，應(yīng)加強(qiáng)反向水稻兩用核不育系的開發(fā)與應(yīng)用研究．

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁隆平.兩系法雜交水稻研究的進(jìn)展[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),1990,23(3):1-6.

[2] 袁隆平.超級雜交水稻育種研究的進(jìn)展[J].中國稻米,2008,(1):1-3.

[3] 楊仕華， 程本義， 沈偉峰， 等.中國兩系雜交水稻選育與應(yīng)用進(jìn)展[J].雜交水稻,2009,24(1):5-9.

[4] 石明松.晚粳自然兩用系的選育與利用[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),1981,(7):1-3.

[5] 石明松， 石新華， 王艮華， 等.湖北光敏感核不育水稻的發(fā)現(xiàn)及利用研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報，1987(湖北光周期敏感核不育水稻專刊)：2-6,16.

[6] 袁隆平.雜交水稻育種戰(zhàn)略設(shè)想[J].雜交水稻，1987，(1)：1-3.

[7] 鄧華鳳, 舒福北, 袁定陽. 安農(nóng)S-1的研究與利用概述[J].雜交水稻,1999,14(3):1-3.

[8] 李訓(xùn)貞, 陳良碧, 周庭波. 新型低溫不育水稻(N-10S,N-13S )育性的初步鑒定[J]. 湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,1991,14(4):376-382.

[9] 陽花秋, 朱 捷. 秈型水稻短日低溫不育核不育系go543S的選育研究[J]. 雜交水稻，1996,(1):9-10.

[10] 吳厚雄, 李必湖, 向 陽， 等. 低溫敏核不育水稻go543S育性對溫、光的反應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報，2003，23(3)：463-470．

[11] 高一枝.水稻短光敏雄性不育材料的發(fā)現(xiàn)及研究初報[J].宜春農(nóng)專學(xué)報,1991，(1)：1-5.

[12] 黎世齡， 熊國新， 高一枝.水稻短光敏雄性核不育性的發(fā)現(xiàn)與利用[J].雜交水稻，2006,21(1):10-13.

[13] 王會峰, 楊艷玲, 黃群策. 反向核不育水稻育性研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2008,24(8):217-219.

[14] 袁隆平.選育光溫敏核不育系的技術(shù)策略[J].雜交水稻,1992,(1):1-4.

[15] 徐孟亮， 吳厚雄, 陳良碧， 等.用人工冷水池鑒定水稻光溫敏核不育系雄性不育起點溫度的研究[J].雜交水稻,2002,17(5)：51-53.

[16] 徐孟亮, 周廣洽. 培矮64S育性表達(dá)的溫敏感部位研究[J].雜交水稻,1996,(2)：28-30.

[17] 徐孟亮， 康公平， 梁滿中， 等.不同世代溫敏核不育水稻96-5-2 S育性對低溫的反應(yīng)[J].作物學(xué)報,2006,32(1):20-24.

[18] 徐孟亮, 梁滿中, 陳良碧， 等.溫度對雙低兩用核不育水稻96-5-2S與培矮64S育性的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2002,22(4):541-547.

[19] 徐孟亮， 陳良碧， 周廣恰.培矮64S育性對溫度與光周期的反應(yīng)[J].作物學(xué)報,1999，25(6):772-776.