太空誘變玉米核不育突變體矮化的遺傳及外施赤霉素分析

汪　靜， 程　江， 曹墨菊

( 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 玉米研究所/農(nóng)業(yè)部西南玉米生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室， 成都 611130 )

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太空誘變玉米核不育突變體矮化的遺傳及外施赤霉素分析

汪靜， 程江， 曹墨菊*

( 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 玉米研究所/農(nóng)業(yè)部西南玉米生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室， 成都 611130 )

摘要：為了解太空誘變玉米核不育突變體矮化的遺傳規(guī)律和原因，該研究以不育突變體為母本，自交系178、478為父本，對測交F1、F2群體進(jìn)行育性鑒定和株高分析，對F2可育株進(jìn)行基因型和株高分析，對姊妹交后代分離群體進(jìn)行育性鑒定和株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)、節(jié)間長度分析，同時，還對姊妹交后代分離群體進(jìn)行施赤霉素處理，調(diào)查育性和株高的變化。結(jié)果表明：178和478背景下的F1表現(xiàn)出與測交母本一樣的極顯著差異；在178和478核背景下的F2中，不育株株高極顯著矮于可育株，兩核背景下的不育株間株高差異不顯著，而可育株間株高差異極顯著；F2中純合和雜合可育株的株高差異不顯著；姊妹交后代分離群體中不育株株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度極顯著小于可育株；外施赤霉素的不育株在苗期表現(xiàn)出對赤霉素一定的敏感性，但株高最終未恢復(fù)正常高度。因此，得出該突變體矮化表現(xiàn)穩(wěn)定，與不育性狀并存，且不受細(xì)胞核背景的影響；核不育基因?qū)χ仓曛旮叩陌療o劑量效應(yīng)；突變體的矮化與雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度有關(guān)；突變體不完全屬于赤霉素不敏感型，其矮化并不是單一缺乏赤霉素而引起。該研究結(jié)果為認(rèn)識太空誘變玉米核不育突變體矮化的遺傳和生理機(jī)制提供了參考。

關(guān)鍵詞：太空誘變， 玉米， 細(xì)胞核雄性不育， 矮化， 遺傳， 赤霉素

植物雄性不育是指由于遺傳、生理、環(huán)境等原因造成植物自身不能產(chǎn)生正常功能的花粉，而雌配子發(fā)育正常仍能接受外來花粉的現(xiàn)象。雄性不育對植物本身來說是有害的，但在作物育種以及遺傳、發(fā)育等生物學(xué)研究中卻有著重要的意義。尤其是在育種上，雄性不育為玉米雜交種子的生產(chǎn)提供了一條有效的途徑(李競雄等, 1998)。

植株矮化是農(nóng)作物育種實踐中最重要的農(nóng)藝性狀之一，矮稈也是作物育種的重要目標(biāo)性狀。在玉米育種中，株高和穗位高是影響玉米產(chǎn)量、抗倒伏性及生態(tài)適應(yīng)性極為重要的農(nóng)藝性狀。培育矮生型玉米雜交種，可以降低株高，提高抗倒性，改善株型結(jié)構(gòu)，增加種植密度，提高群體光合效能，近而達(dá)到高產(chǎn)的目的。因此，明確玉米矮桿的遺傳方式和作用機(jī)制有著重要意義(延吉, 2003)。矮生性狀可受主效單基因控制，也可由微效多基因共同控制。矮生基因的挖掘為轉(zhuǎn)基因矮桿材料的創(chuàng)制提供了優(yōu)異的基因資源。目前玉米已鑒定并命名矮生主效單基因有34個，其中已經(jīng)定位的有27個(張素梅, 2008; 李啟芳, 2010)。引起植物矮化的因素很多，如植物激素的合成以及轉(zhuǎn)導(dǎo)不正常等都會導(dǎo)致植株的矮化(李曉波等, 2004; 石琰璟, 2005; Depuydt & Hardtke, 2011)，而研究表明多數(shù)的矮化突變體與赤霉素(GAs)有關(guān)(Rebetzke, 2012; Wang et al, 2013; Ayele et al, 2014; Ji et al, 2014)。GAs對高等植物莖的延伸起著非常重要的調(diào)控作用。與植物激素相關(guān)的矮化突變體主要分為缺陷型和不敏感型兩類。缺陷型矮化突變體是活性激素的生物合成途徑被抑制或阻斷，使得植物體內(nèi)源活性激素缺乏或含量極微少，外施相應(yīng)的活性激素可使植株恢復(fù)野生型高度；而不敏感型矮化突變體是激素的信號吸收或傳遞出現(xiàn)障礙，其內(nèi)源活性激素水平變化不大，甚至比野生型的還高，外施相應(yīng)的活性激素不能使植株恢復(fù)野生型高度(于永紅和斯華敏, 2005)。

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所通過衛(wèi)星搭載獲得了1份受一對隱性基因控制的細(xì)胞核雄性不育突變體(曹墨菊等, 2003; 劉福霞等, 2005; 李式昭等, 2007)，其兼具了不育性與矮生性兩種育種上需要的性狀。初步研究發(fā)現(xiàn)，在該突變體不育株姊妹交后代分離群體中，不育株與可育株的株高整個生育期不同的發(fā)育階段均存在極顯著的差異(曹墨菊等, 2004)。因此，本文以太空誘變玉米核不育測交F1、F2群體，F(xiàn)2可育株自交F2:3家系，以及姊妹交后代分離群體為材料，進(jìn)一步分析植株株高的矮化是否與不同的遺傳背景相關(guān)，控制玉米核不育的基因?qū)χ仓曛旮叩陌欠裼袆┝啃?yīng)，以及不育株與可育株的株高存在差異是否與雄穗長度、節(jié)間數(shù)、節(jié)間平均長度有關(guān)。同時通過外施GAs實驗，分析GAs與不育株矮化表現(xiàn)的關(guān)系。通過對該太空誘變玉米核不育突變體矮化現(xiàn)象的遺傳和外施GAs研究，以期揭示不育突變體矮化的遺傳規(guī)律和原因，為認(rèn)識其矮化的遺傳和生理機(jī)制提供參考。

1材料與方法

1.1 材料

株高遺傳分析以自交系178和478，太空誘變玉米細(xì)胞核雄性不育株(A)與自交系178、478雜交F1、F2群體及其F2可育株自交F2:3家系，以及不育株姊妹交后代分離群體為材料。自交系178和478、[A×178]F1和F2、[A×478]F1和F2群體各自來自1個果穗；[A×178]F2:3家系來自[A×178]F2可育株自交的28個果穗；[A×478]F2:3家系來自[A×478]F2可育株自交的23個果穗；不育株姊妹交后代分離群體來自2個果穗。

外施GAs分析以不育株姊妹交后代分離群體為材料，來自另外7個果穗，分7個小區(qū)種植，田間區(qū)號為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7。

以上所有材料單果穗分區(qū)種植，育苗移栽，不間苗，田間精細(xì)管理。

1.2 方法

1.2.1 株高遺傳分析(1)育性和株高調(diào)查：在植株抽雄散粉后，分兩次按Duvick(1965)的育性標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查各群體植株的育性表現(xiàn)；成株期調(diào)查各群體植株株高，同時還對不育株姊妹交后代分離群體植株進(jìn)行雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度調(diào)查。(2)F2可育株基因型鑒定：調(diào)查[A×178]F2和[A×478]F2可育株自交F2:3家系的育性表現(xiàn)。育性未發(fā)生分離的F2:3家系，其F2為純合體可育(RR)；育性發(fā)生分離的F2:3家系，其F2為雜合體可育(Rr)。

1.2.2 外施GAs分析GAs外施的方法參見曹墨菊等(2010)，實驗設(shè)50、100、150 mg·L-13個GAs濃度，在苗期(4月22日)和拔節(jié)期(5月12日)各噴施一次， C1和C4小區(qū)噴施濃度為50 mg·L-1， C2和C5小區(qū)噴施濃度為100 mg·L-1， C3和C6小區(qū)噴施濃度為150 mg·L-1， C7小區(qū)不噴施。從苗期第一次GAs噴施后，每10天調(diào)查一次株高直到植株抽雄，在植株散粉完全成熟后再調(diào)查一次株高，一共調(diào)查6次。同時，還在植株抽雄散粉后調(diào)查雄穗的育性表現(xiàn)，方法同上。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析對姊妹交后代分離群體的育性分離比進(jìn)行χ2適合性測驗，對各群體不同育性植株調(diào)查性狀的數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel進(jìn)行整理和作圖，并采用DPS軟件進(jìn)行成組數(shù)據(jù)差異顯著性測驗(明道緒, 2013)。

2結(jié)果與分析

2.1 不育株與178、478雜交后代群體的株高分析

2.1.1 F1、F2群體株高分析以單株為測量單位，分別調(diào)查自交系178和478，以及不育株與178和478雜交F1、F2群體的株高。其中自交系178和478分別調(diào)查了21株和22株，[A×178] F1和[A×478]F1分別調(diào)查了25株和30株，[A×178] F2和[A×478]F2分別調(diào)查了50株和69株。對178和478、[A×178]F1和[A×478]F1、[A×178]F2和[A×478]F2群體中不育株和可育株的平均株高分別進(jìn)行成組數(shù)據(jù)差異顯著性測驗(表1)。表1結(jié)果表明，自交系478和[A×478]F1的植株株高分別極顯著矮于自交系178和[A×178]F1的植株株高，并且F1株高均高于各自父本自交系；[A×478]F2和[A×178] F2群體中不育株株高均極顯著矮于可育株株高；[A×478]F2中可育株株高極顯著矮于[A×178]F2群體中的可育株的株高，但[A×478]F2群體中不育株株高與[A×178]F2群體中的不育株株高差異不顯著。

2.1.2 F2不同基因型可育株株高分析對測定了株高的F2可育株自交F2:3家系植株進(jìn)行田間育性鑒定，發(fā)現(xiàn)28個[A×178]F2:3中有18個發(fā)生育性分離，10個未發(fā)生育性分離；23個[A×478]F2:3家系中有16個發(fā)生育性分離，7個未發(fā)生分離。表明[A×178]F2群體中28株可育株中有10株為純合可育(RR)，18株為雜合可育(Rr)；[A×478]F2群體中23株可育株中有7株為純合可育(RR)，16株為雜合可育(Rr)。對[A×178]F2和[A×478]F2群體中純合可育株和雜合可育株的平均株高分別進(jìn)行成組數(shù)據(jù)差異顯著性測驗(表2)。表2結(jié)果表明，[A×178]F2和[A×478]F2群體中兩種基因型的可育株株高差異均不顯著。

表 1　不育株與178、478雜交后代群體的平均株高 (單位：cm)

注：大/小寫字母表示差異顯著水平為0.01/0.05；表中數(shù)據(jù)后第一個/第二個字母表示橫向/縱向比較。

Note: Capital/lowercase letters indicate the significant differences at 0.01/0.05 level; the first/second letters after the data in the table indicate horizontally/ longitudinally comparison.

表 2　不育株與178、478雜交F2純合和雜合可育株平均株高 (單位：cm)

注：小寫字母表示差異顯著水平為0.05，表中數(shù)據(jù)均為橫向比較。

Note: Lowercase letters indicate the significant differences at 0.05 level; the data in the table are compared horizontally.

2.2 不育姊妹交后代分離群體的株高分析

以單株為單位，調(diào)查76株姊妹交后代分離群體中的不育株和可育株株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度并計算得出各植株節(jié)間長度平均值。對姊妹交后代分離群體中可育株和不育株的平均株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度分別進(jìn)行成組數(shù)據(jù)差異顯著性測驗(表3)。結(jié)果表明，不育株的株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)及節(jié)間長度均極顯著小于可育株。

2.3 外施GAs對不育株姊妹交后代分離群體株高的影響

以單株為單位，調(diào)查外施GAs的不育株姊妹交后代分離群體的育性，育性鑒定結(jié)果詳見曹墨菊等(2010)。外施GAs小區(qū)和對照小區(qū)都發(fā)生育性分離，且均符合育性分離比為1∶1。表明在苗期和拔節(jié)期外施GAs對太空誘變玉米核不育突變體的育性沒有影響。

以單株為單位，調(diào)查GAs處理小區(qū)和對照小區(qū)不同發(fā)育時段植株的株高， 對不同濃度GAs處理小區(qū)或?qū)φ諈^(qū)不同發(fā)育時段不育株和可育株的平均株高進(jìn)行成組數(shù)據(jù)差異顯著性測驗(表4)，結(jié)果表明，不育株株高極顯著矮于可育株株高。GAs處理小區(qū)或?qū)φ招^(qū)不同發(fā)育時段不育株和可育株的平均株高曲線如圖1，圖2所示，處理和對照植株株高增長趨勢基本一致，不育株和可育株株高在調(diào)查前期差異較小，隨著植株的生長，差異逐漸變大，到成株期差異最大。GAs處理不育株和對照可育株不同發(fā)育時段平均株高曲線如圖3所示，在5/02處理不育株株高高于對照可育株株高，之后它們間的株高差異減小，在5/12到5/22之間出現(xiàn)交叉，之后處理不育株株高變?yōu)榈陀趯φ湛捎曛旮?，隨著植株的生長，差異逐漸增大，也是在植株完全成熟時差異最大。

表 3　姊妹交后代分離群體不育株和可育株的平均株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度 (單位：cm)

注：大寫字母表示差異顯著水平為0.01，表中數(shù)據(jù)均為橫向比較。

Note: Capital letters indicate the significant differences at 0.01 level; the data in the table are compared horizontally.

圖 1　GAs處理兩種育性植株的平均株高生長曲線圖Fig. 1　Diagram of dynamic average height of fertile and sterile plants treated by GAs

圖 2　對照兩種育性植株的平均株高生長曲線圖Fig. 2　Diagram of dynamic average height of fertile and sterile plants of control

圖 3　GAs處理不育株與對照可育株的平均株高生長曲線圖Fig. 3　Diagram of dynamic average height of sterile plants treated by GAs and fertile plants of control

3討論與結(jié)論

自交系178是由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的晚熟類群，自交系478是山東省萊州市玉米研究所選出的中熟類群，178和478在川黔多年種植表現(xiàn)為478株高較178的株高矮(曹廣才等, 2000)。因此，本研究利用兩自交系株高顯著差異進(jìn)行玉米細(xì)胞核雄性不育測交試驗。首先，對測交F1和F2群體的育性和株高分析發(fā)現(xiàn)，178和478背景下的F1表現(xiàn)出與測交親本一樣的極顯著差異，但分別又比各自測交親本顯著升高，這應(yīng)與雜交優(yōu)勢表現(xiàn)有關(guān)；F2群體中兩種育性植株的株高表現(xiàn)除了具有不育株極顯著矮于可育株的共性之外還表現(xiàn)出各自的個性，即在178和478兩個不同核背景下的F2不育株株高差異不顯著，而可育株株高差異極顯著?？梢?，不育株的矮化表現(xiàn)穩(wěn)定且與不育性狀并存，不育株與可育株的株高差異不因核背景的不同而改變。其次，對F2群體中可育株自交F2:3家系育性分離調(diào)查結(jié)合可育F2株高分析發(fā)現(xiàn)，可育F2中純合和雜合株之間的株高差異不顯著，表明核不育基因?qū)χ仓曛旮叩陌療o劑量效應(yīng)，且該不育突變體的矮化為高桿對矮稈顯性遺傳。最后，對不育姊妹交后代分離群體中不育株和可育株株高、雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度分析發(fā)現(xiàn)，不育株的株高極顯著矮于可育株可能與不育株的雄穗長度、節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度極顯著變小變少有關(guān)。

表 4　姊妹交后代分離群體GAs處理和對照小區(qū)不育株和可育株的平均株高 (單位：cm)

注：大寫字母表示差異顯著水平為0.01，表中數(shù)據(jù)均為同條件下可育株與不育株縱向比較。

Note: Capital letters indicate the significant differences at 0.01 level; the data of fertile and sterile plants at the same condition in the table are compared longitudinally.

對發(fā)育至苗期、拔節(jié)期、小孢子單核期和雙核期不同育性植株葉片的內(nèi)源GAs含量測定發(fā)現(xiàn)，不育株GAs含量各時期均低于可育株，在拔節(jié)期二者的GAs含量差異達(dá)極顯著水平(曹墨菊等, 2010)。本研究在調(diào)查的各個時期，GAs處理小區(qū)或?qū)φ招^(qū)的可育株株高均極顯著地高于不育株株高，并且變化趨勢一致；在處理前期(苗期)，處理不育株的株高高于對照可育株的株高，隨后差異逐漸減小，變?yōu)樘幚聿挥甑闹旮叩陀趯φ湛捎?，此后差異逐漸變大，到成株期時差異達(dá)最大。這表明外施GAs對不育株與可育株的株高影響一致；不育株盡管在苗期表現(xiàn)出對GAs一定的敏感性，但外施GAs后其株高最終并未恢復(fù)到正常植株高度?？梢?，該不育突變體不完全屬于GAs不敏感型，其矮化并不是因單一的缺乏GAs引起的，GAs的敏感程度取決于發(fā)育階段的變化，玉米中也有類似報道(Galbiati et al, 2002)。

控制該突變體不育性的隱性基因已經(jīng)被定位在玉米第3染色體長臂3.06的位置(李式昭等, 2007)，也有報道顯示，有兩個玉米矮生基因位于該位置(Robertson et al, 1974; Neuffer & England, 1995)。植物雄性不育和矮化都可能與其內(nèi)源激素含量的變化和相互間的調(diào)控作用有關(guān)系(張艷玉等, 2013; Tang et al, 2008; Zhu et al, 2010; Rebetzke, 2012; Wang et al, 2013; Ayele et al, 2014; Ji et al, 2014)。因此，綜合該玉米細(xì)胞核雄性不育突變體矮敗遺傳和外施GAs分析結(jié)果，推測該突變體不育和矮化兩性狀可能受一因多效基因控制，也可能受兩隱性連鎖遺傳的基因控制，且控制株高的基因會產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，最終影響內(nèi)源GAs的含量并在玉米發(fā)育特定階段受外源GAs的調(diào)節(jié)。關(guān)于該雄性不育突變體的矮化現(xiàn)象需要通過構(gòu)建近等基因系進(jìn)行遺傳分析和定位，找出控兩形狀可能的基因，進(jìn)一步探討不育和矮化的遺傳關(guān)系。

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Genetic analysis and gibberellins treatment effects on dwarfism of maize genic male sterile mutant induced by space flight

WANG Jing, CHENG Jiang, CAO Mo-Ju*

(MaizeResearchInstitute/KeyLaboratoryofBiologyandGeneticImprovementofMaizeinSouthwestRegion,MinistryofAgriculture，SichuanAgriculturalUniversity, Chengdu 611130, China )

Abstract:Male sterility provides an effective way for maize hybrids production. Plant dwarfism is one of the important target traits in crop breeding. Maize research institute of Sichuan Agricultural University obtained a genic male sterile mutant induced by space flight which was controlled by a pair of recessive genes. This mutant has the traits of sterility and dwarfism both needed by breeding. In order to find the genetic rules and reasons of dwarfism of the maize genic male sterile mutant, taking this sterile mutant as mother and inbred lines 178, 478 as father, fertility identification and plant height analysis of test cross F1, F2, genotype and plant height analysis of fertile F2, fertility identification and plant height, tassel length, internode number and internode length analysis of sister cross off-springs were done. Meanwhile, gibberellins were applied on sister cross off-springs, fertility and plant height of which were examined. The results were as follows: The plant height difference of F1 at the background of 178 and 478 which was significant was the same with that between 178 and 478; Sterile plant height was significantly lower than fertile plant height in F2 at the background of 178 or 478, and the difference of sterile plant heights was not significant in F2 at the background of 178 and 478, while the difference of fertile plant heights was significant; In fertile F2at the background of 178 or 478 of which the off-springs’ fertility separated, the difference between homozygous and heterozygous plant heights was all not significant; In sister cross off-springs, separation ratio of fertile and sterile plants met 1∶1, and sterile plant height, tassel length, internode number and internode length were significantly less to those of fertile plant; Exogenous application of gibberellins did not affect the fertility of sterile plants, and the sterile plants showed certain sensitivity to gibberellins at seedling stage, but the plant height of which did not restore to normality finally. Collectively, it was obtained that the dwarfism of this sterile mutant existing with the sterile trait was stable and not affected by nuclear background; There was no dose effect of nuclear male sterile gene on the dwarfism of plant height; Plant height difference of sterile and fertile plants was associated with tassel length, internode number and internode length; The sterile plant did not completely belong to gibberellins reduced response type, the dwarfism of which was not caused only by lack of gibberellins. The recessive gene controlling this male sterile mutant has been mapped at bin 3.06 of the maize third chromosome long arm and it is reported that there are also two maize dwarfism genes at this location. So, it was supposed that the abortion and dwarfism traits of this mutant were possibly regulated by a pleiotropic gene or two recessive genetic linkage genes, and the gene controlling plant height would produce a series of chain reaction, ultimately affecting the content of endogenous gibberellins and being regulated by exogenous gibberellins at certain developmental stages. These research results provide a reference for us to further understand the genetic and physiological mechanism of dwarfism of this mutant.

Key words:space flight, maize, genic male sterility, dwarfism, genetic, gibberellins

DOI:10.11931/guihaia.gxzw201410045

收稿日期:2014-10-27修回日期：2014-12-30

基金項目：國家“863”計劃項目(2011AA10A103, 2012AA101202-4)； 國家科技支撐計劃項目(2008BAD97B03)[Supported by the National Development Planning of High-Technology Research of China(2011AA10A103, 2012aa101202-4)； National Key Technology R & D Program of China(2008BAD97B03)]。

作者簡介：汪靜(1982-)，女，四川宜賓人，碩士，主要從事玉米雄性不育分子生物學(xué)研究，(E-mail)710049552@qq.com。 *通訊作者：曹墨菊，博士，教授，主要從事玉米雄性不育分子生物學(xué)研究與遺傳育種，(E-mail)caomj@sicau.edu.cn。

中圖分類號：Q945.49, Q37, S513

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3142(2016)06-0707-06

汪靜，程江，曹墨菊. 太空誘變玉米核不育突變體矮化的遺傳及外施赤霉素分析 [J]. 廣西植物， 2016， 36(6)：707-712

WANG J,CHENG J,CAO MJ. Genetic analysis and gibberellins treatment effects on dwarfism of maize genic male sterile mutant induced by space flight [J]. Guihaia， 2016， 36(6)：707-712