水稻光溫敏雄性不育的遺傳研究進(jìn)展

李 莉 ，宋書鋒 ，李 娜

（1.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.國家雜交水稻工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410125；3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125；4.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

石明松于1973年在湖北發(fā)現(xiàn)了水稻突變株農(nóng)墾58S。作為天然光敏核不育水稻的新材料，58S的發(fā)現(xiàn)為我國水稻雜種優(yōu)勢利用開辟了“兩系法”新途徑[1]。此后，兩系法在培育水稻新品種方面發(fā)揮廣泛作用。然而，由于光溫敏不育系種類繁多，遺傳行為受內(nèi)部遺傳基因和外部生態(tài)因子綜合作用的影響。目前，光溫敏核不育水稻育性遺傳研究結(jié)果不盡相同。本文就光溫敏不育基因的表達(dá)條件、光溫敏雄性核不育基因的遺傳規(guī)律以及核不育基因的定位研究進(jìn)展做一簡要的闡述。

1 光溫敏不育基因的表達(dá)條件

1.1 光敏核不育基因的表達(dá)條件

從1973年發(fā)現(xiàn)農(nóng)墾58S到1989年以前，研究結(jié)果均認(rèn)為，農(nóng)墾58S的育性改變僅僅與日照有關(guān)，不會受溫度影響[2]。只要光照長度大于臨界光照長度，不育基因就能充分表達(dá)，植株表現(xiàn)為雄性不育；反之，則植株表現(xiàn)為可育或部分可育。但是隨著研究的發(fā)展，這一研究結(jié)果逐漸顯現(xiàn)出它的局限性。薛光行等[3]提出，不同品種的光敏核不育系，其臨界日照長度受到溫度效應(yīng)等因素的影響，存在著差異。陳良碧等[4]做了如下研究，光敏核不育材料在長日（14 h/d）高溫（31/28℃）條件下為完全不育，但當(dāng)溫度降到22℃時，不育材料就會表現(xiàn)為部分可育，結(jié)實(shí)率是3.3%至10.1%。這一結(jié)果表明，在保證日照長度的前提下，光敏不育基因的表達(dá)還需要一個適宜的溫度條件。危萬虎[5]以27個光溫敏核不育系為材料，研究了光溫作用條件，分析了育性與光照、溫度之間的關(guān)系，結(jié)果表明相同的光照和溫度條件對不同不育系的影響是不一致的。

1.2 溫敏核不育基因的表達(dá)條件

安農(nóng)S-1是一種典型的溫敏核不育系，它的育性轉(zhuǎn)換與溫度密切相關(guān)，不育基因表達(dá)的主要條件是高溫。已有研究結(jié)果確定安農(nóng)S-1的臨界不育溫度是25℃。李必湖等研究了培矮64S、810S、陸18S等一系列臨界不育溫度在23～24℃不育系，結(jié)果表明，在長日高溫條件下，對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行低溫處理，3 d時培矮64S和810S開始出現(xiàn)可育花粉，6 d時陸18S表現(xiàn)為穩(wěn)定不育[6]。彭海峰等[7]以新材料秈S為研究對象，人工控制光照和溫度條件進(jìn)行誘導(dǎo)處理，發(fā)現(xiàn)低溫誘導(dǎo)需要較長時間才能將不育轉(zhuǎn)為可育。雖然秈S與培矮64S的不育臨界溫度基本一致，但低于24℃時培矮64S耐低溫的時間較短，因此在廣州這樣的自然條件下秈S穩(wěn)定不育期要長2個月[8]。培矮64S是以農(nóng)墾58S為供體培育得到的，在高溫（28℃以上）條件下，培矮64S不受日照長短影響，始終表現(xiàn)為不育，但在21～22℃這個很小的溫度范圍內(nèi)，短日照可促進(jìn)其自交結(jié)實(shí)率的提高[9]。廖伏明等[10]的研究結(jié)果也表明培矮64S具有短日可育的特性，但是溫度范圍是23～28℃。因此，有研究認(rèn)為以農(nóng)墾58S為供體培育出的光敏或是溫敏不育水稻既存在光敏核不育基因，也存在溫敏核不育基因。還有研究認(rèn)為，控制光敏不育和溫敏核不育的基因很可能就是同一個基因。

2 光溫敏雄性核不育基因的遺傳規(guī)律分析

光溫敏核不育基因的表達(dá)必需以嚴(yán)格的光溫條件作為前提，但是作物生長的自然環(huán)境是復(fù)雜多變的，這就造成了光溫敏核不育水稻遺傳表現(xiàn)的復(fù)雜性[11]。盧興桂等[12]認(rèn)為光溫敏核不育分離世代育性大多表現(xiàn)為連續(xù)分布。很多學(xué)者以典型的光溫敏核不育水稻農(nóng)墾58S為研究材料，對其遺傳規(guī)律進(jìn)行了分析，但研究結(jié)果有差異，各不相同。根據(jù)研究報道，對農(nóng)墾58S及其轉(zhuǎn)育的其他光溫敏核不育系的遺傳表現(xiàn)總結(jié)概括如下：

（1）一對隱性基因控制模式：最初，研究者認(rèn)為農(nóng)墾58S的不育性是由受一對基因控制。李必湖等[13]發(fā)現(xiàn)溫敏不育系安農(nóng)S-1的不育性由核內(nèi)一對隱性基因控制。Yang等[14]研究5460S發(fā)現(xiàn)其不育性受一對隱性基因控制。梅明華[15]、鄧啟云等[16]等均認(rèn)為W6154S的不育性受一對主基因控制。（2）兩對隱性基因控制模式：朱英國[17]、孫宗修[18]等以農(nóng)墾58S與普通粳稻做雜交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其后代育性分離由兩對隱性基因控制。不育系32001S是由農(nóng)墾58S的不育基因轉(zhuǎn)育得到的，張啟發(fā)等[19]發(fā)現(xiàn)該品種與明恢63的雜交后代的育性分離由兩對隱性基因控制。靳德明等[20]研究認(rèn)為多數(shù)粳稻品種與農(nóng)墾58S之間兩對主效基因存在差異。盛孝邦[21]發(fā)現(xiàn)，控制農(nóng)墾58S的兩對基因在不同類型的粳稻品種中互作方式不同，在早、中粳稻中二者為累加作用，在晚粳稻品種中表現(xiàn)為獨(dú)立分離，而在農(nóng)墾58的背景下則表現(xiàn)為隱性上位作用。（3）三對及以上隱性基因控制模式：劉靄民等[22]通過對不同光溫敏不育材料的研究，提出了三對隱性基因控制模式，認(rèn)為除了兩個主效基因外，還存在著另外一個與育性轉(zhuǎn)換有關(guān)的基因位點(diǎn)。此外，梅國志等[23]研究認(rèn)為，農(nóng)墾58S光敏不育性的遺傳，具有質(zhì)量—數(shù)量性狀的遺傳特性。光溫敏雄性不育水稻不育基因分離模式表現(xiàn)為多樣性，它的遺傳模式和機(jī)理還不夠明確，需要進(jìn)一步深入研究，以便為定位、分離光溫敏不育基因提供更多的支持。

3 光溫敏核不育基因定位的研究

3.1 光敏核不育基因定位的研究

目前，定位不育基因主要采用DNA分子標(biāo)記法。Wang等[24]將農(nóng)墾58S的光敏核不育基因定位在7號染色體上。王京兆等[25]用農(nóng)墾58S與FL2做雜交實(shí)驗(yàn)，分析雜交后代F2推斷出引物OPX-07600與PGMS基因連鎖。Liu等[26]通過對明恢63和32001S的雜交后代的研究，把pms1定位在7號染色體上。Mei等[27]通過BSA分析找到農(nóng)墾58S帶有的另外一個不育基因pms3，將其定位在12號染色體上。李香花等[28-29]則進(jìn)一步細(xì)化了psm3在12號染色體上的定位。李子銀[30]研究發(fā)現(xiàn)12號染色體上的單拷貝標(biāo)記G2140與光敏核不育基因連鎖，兩者間的遺傳圖距為14.1cM。陳亮等[31]篩選出與pms3連鎖的標(biāo)記F3和V4，與pms3的遺傳距離分別是5.80 cM和7.75 cM。Lu等[32]將pms3精細(xì)定位在標(biāo)記LJ25和LK40之間長為28.4 kb的DNA片段中，與標(biāo)記LJ47和LJ265共分離。

3.2 溫敏核不育基因定位的研究

迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的控制溫敏核不育性狀的基因有 tms1-6、TGMS、Ms-h（t）、TMS 等，并將其分別定位于水稻染色體上[33]。Wang等[34]利用RAPD技術(shù)和BSA分析，將tms1定位于8號染色體上。Yamagushi等[35]將Nekken2中的不育基因定位在7號染色體上，命名為tms2。Subudhi等[36]把IR32364中的不育基因定位在6號染色體上，命名為tms3。Dong等[37]則利用多種分子標(biāo)記將溫敏核不育系TGMS-VN1的不育基因定位在2號染色體上，命名為tms4。Wang等[38]將tms5定位在2號染色體上。Lee等[39]將溫敏不育基因Sokcho-MS定位在6號染色體上，命名為tms6。此外，Redd等[40]將SA2的不育基因定位在9號染色體，命名為TGMS。Koh等[41]將不育基因ms-h（t）位在9號染色體上。周開達(dá)[42]將TMS基因定位于6號染色體。其中，需要特別說明的是tms5的定位。姜大剛等[42]將tms5定位于2號染色體的SSR標(biāo)記RMAN7和RMAN54的181 kb的范圍內(nèi)。光溫敏核不育基因定位結(jié)果具有差異性，這種不一致說明光溫敏不育性不是簡單的遺傳性狀，其遺傳機(jī)制應(yīng)該是相當(dāng)復(fù)雜的，只有科技的不斷進(jìn)步和研究者的不懈努力才有可能得到更加詳盡而確切的研究成果。

4 展望

進(jìn)一步深入了解光溫敏雄性不育機(jī)制，積極廣泛展開雄性核不育基因的研究，對于培育理想的兩系雜交材料及其兩系法雜交水稻生產(chǎn)與推廣將會產(chǎn)生更大的作用。不育基因的分離與克隆為新種質(zhì)資源的開發(fā)開辟了新途徑。另外，光照和溫度作為影響作物生長的兩個重要生態(tài)因子，從基因的角度研究二者的作用機(jī)制，具有深遠(yuǎn)的意義。雖然探索光溫敏雄性不育基因這一研究的時間還不是很長，但它將植物育種學(xué)與基礎(chǔ)生物學(xué)、分子生物學(xué)有效緊密結(jié)合起來，具有廣泛的應(yīng)用前景[43]。

目前，水稻光溫敏雄性不育的研究還存在一些問題。首先是適應(yīng)性的問題。在遺傳模式和機(jī)理上，尤其是控制不育性的基因?qū)?shù)方面，同一不育系之間不同研究者得到的結(jié)論都具有較大差異，不同品種的不育系之間結(jié)果的差異就更為明顯。其次是精確性的問題。光溫敏核不育基因的表達(dá)受自身遺傳背景和外界環(huán)境條件的共同影響，這在一定程度上限制光溫敏核不育基因的精確定位[44]。此外，光溫敏雄性核不育這一現(xiàn)象的形成是一個較為復(fù)雜的過程，涉及基因、環(huán)境和基因表達(dá)產(chǎn)物之間的種種相互作用。因此，研究者就必須要從生態(tài)特征的角度，通過基因全序列分析、功能驗(yàn)證分析等方面進(jìn)行全方位的綜合探討。

[1]周元飛.水稻光溫敏核雄性不育遺傳及基因定位研究 [D].南京：浙江大學(xué)，2008.

[2]楊遠(yuǎn)柱，唐平徠，符辰建，等.實(shí)用早秈型兩用核不育系選育策略與進(jìn)展[J].作物研究，2002，（2）：95-99.

[3]薛光行，趙建宗.水稻光敏感雄性不育臨界日長及其對環(huán)境因子反應(yīng)的初步研究[J].作物學(xué)報，1990，16（2）：112-122.

[4]陳良碧，李訓(xùn)貞，周廣洽.溫度對水稻光敏、溫敏核不育基因表達(dá)影響的研究[J].作物學(xué)報，1993，19（1）：47-54.

[5]危萬虎.光溫敏核不育水稻育性轉(zhuǎn)換與氣象條件的關(guān)系[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)報，1997，16（3）：231-235.

[6]李必湖，吳厚雄.溫敏核不育水稻育性對低溫持續(xù)時間的敏感性差異比較研究[J].作物學(xué)報，2003，29（6）：930-936.

[7]彭海峰，邱振國.無花粉型水稻溫敏核不育系秈S的育性表現(xiàn)與細(xì)胞學(xué)觀察[J].生態(tài)學(xué)報，2006，26（7）：2322-2327.

[8]邱振國.光溫敏核不育水稻秈S的不育特性及其遺傳利用研究[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[9]李 梅.光溫敏核不育水稻花培后代的遺傳表現(xiàn)及育種應(yīng)用研究[D].廣西：廣西大學(xué)，2003.

[10]廖伏明，袁隆平.水稻光溫敏核不育系培矮64S低溫下育性表達(dá)規(guī)律研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000，33（1）：1-9.

[11]邱振國.光溫敏核不育水稻研究及利用進(jìn)展 [J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（20）：5228-5229.

[12]盧興桂，顧洪銘，李成荃，等.兩系雜交理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2001：29-30，131-230.

[13]李必湖，鄧華風(fēng).水稻光溫敏核不育及亞種間雜種優(yōu)勢利用研究論文選編[C].北京：農(nóng)業(yè)科技部科學(xué)司編，1990，82-87.

[14]Yang R C，Liang K J，Wang N Y，et al.Rice Genet Newsl，1992，9：56-57.

[15]梅明華，羅 炬，李澤炳.秈稻光（溫）敏核不育性的遺傳分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，1995，（3）：7-9.

[16]鄧啟云，盛孝邦，段美娟，等.秈型光溫敏核不育水稻雄性不育性遺傳研究[J].雜交水稻，2001，16（3）：47-51.

[17]朱英國，楊代常.光周期敏感核不育水稻研究與利用 [M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1992.

[18]孫宗修，程式華.雜交水稻育種[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1994.

[19]Zhang Q F.Using bulked extremes and recessive classes to map genes for photoperiod-sensitive genic male sterility in rice[J].Proc Natl Acad Sci USA，1994，91（18）：8675-8679.

[20]靳德明，李澤炳.粳型光敏核不育系與常規(guī)粳稻雜交后代育性的遺傳分[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，12（3）：201-208.

[21]盛孝邦.光敏感核不育水稻農(nóng)墾58s雄性不育性的遺傳學(xué)研究[J].湖南農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1992，18（1）：18-28.

[22]劉藹民，張啟發(fā).水稻廣親和基因在RFLP圖譜上的初步定位[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992，11（3）：213-219.

[23]梅國志，汪向明，王明全.農(nóng)墾58S型光周期敏感雄性不育的遺傳分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1990，9（4）：400-406.

[24]Wang J Z，Wang B，Xu W W，et al.Tagging and mapping rice photoperiod sensitive genic male sterile gene with molecular markers[J].Plant Genome Ⅳ，1996，51（3）：570-577.

[25]王京兆，王 斌，徐瓊芳，等.用RAPD方法分析水稻光敏核不育基因[J].遺傳學(xué)報，1995，22（1）：53-58.

[26]Liu N.Identification of an 85-kb DNA fragment containing pms1，a locus for photoperiod-sensitive genic male sterility in rice[J].Molecular Genetics and Genomics，2001，266（2）：271-275.

[27]Mei M H，Chen L，Zhang Z H.pms3 is the locus causing the original photoperiod-sensitive male sterility mutation of Nongken 58S[J].Science in China，Ser.C，1999，42（3）：316-322.

[28]李香花，王伏林，陸 青，等.水稻光敏核不育基因pms3的精細(xì)定位[J].作物學(xué)報，2002，28（3）：310-314.

[29]張浙峰.水稻短光低溫不育基因的分子標(biāo)記定位[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[30]李子銀.利用分子標(biāo)記定位農(nóng)墾58S的光敏核不育基因[J].植物學(xué)報，1999，41（7）：731-735.

[31]陳 亮，梅明華.鑒定與水稻光敏核不育基因pms3連鎖的AFLP—RFLP標(biāo)記 [J].廈門大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，39（4）：421-425.

[32]Lu Q.Localization of pms3，a gene for photoperiod sensitive genic male sterility to a 28.4-kb DNA fragment[J].Mol Gen Genomics，2005，273：507-511.

[33]蔡春苗，施碧紅，趙明富，等.水稻光溫敏不育基因研究概況[J].生物技術(shù)通報，2008，（2）：24.

[34]Wang B，Xu W W，Wang J Z，et al.Tagging and mapping the thermo-sensitive male-sterile gene in rice with molecular markers[J].Theor Appl Genet，1995，91：1111-1114.

[35]Yamagushi Y，Ikeda R，Hirasawa H.Linkage analysis of the thermo-sensitive genic male sterility gene tms2 in rice（Oryza sativa L.）[J].Breed Sci，1997，47：371-377.

[36]Subudhi P K，Borkakati R K，Virmani S S.Molecular mapping of a thermo-sensitive genetic male sterility gene in rice using bulked segregant analysis[J].Genome，1997，40：188-194.

[37]Dong N V，Subudhi P K，Luong P N.Molecular mapping of a rice gene conditioning thermo-sensitive genetic male sterility using AFLP，RFLP and SSR techniques[J].Theor Appl Genet，2000，100：727-734.

[38]Wang Y G，Xing Q H，Deng Q Y，et al.Fine mapping of the rice thermo-sensitive genic male-sterile gene tms5[J].Theor Appl Genent，2003，107（5）：917-921

[39]Lee D S，Chen L J，Suh H S.Genetic characterization and fine mapping of a novel thermo-sensitive genic male sterile gene tms6 in rice （Oryza sativa L.）[J].Theor Appl Genet，2005，111（7）：1271-1277.

[40]Reddy O U K，Siddiq E A，Sarma N P，et al.Genetic analysis of temperature sensitive male sterility in rice[J].Theor Appl Genet，2000，100：794-801.

[41]Koh H J，Son Y H，Heu M H.Molecular mapping of a new genic male sterility gene causing chalky endosperm in rice（Oryza sativa L.）[J].Euphytica，1999，106：57-62.

[42]姜大剛，盧 森，周 海，等.用EST和SSR標(biāo)記定位水稻溫敏不育基因 tms5[J].科學(xué)通報，2006，51（2）：148-151.

[43]周開達(dá)，朱立煌，李仕貴.水稻溫敏顯性核不育基因的遺傳分析和分子標(biāo)記定位[J].科學(xué)通報，1999，44（9）：955-957.

[44]徐先戰(zhàn)，劉瀟華，黃 珊，等.水稻光溫敏不育基因的研究概況[J].福建稻麥科技，2009，27（1）：42-43.