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大豆细胞质雄性不育的遗传和分子基础研究

赵丽梅  
【摘要】:杂种优势利用是大幅度提高作物单产的有效途径。随着水稻、玉米等主要农作物杂种优势利用的成功,大豆已成为少数几个没有大规模利用杂种优势的主要作物之一,其主要原因是没有适于杂交种生产的不育系。我国在大豆细胞质雄性不育系选育和杂种优势利用上的成功,标志着我国在此领域的研究走在了世界的前列。但在对育成的 RN 型(不育细胞质来源于 167)和 ZD 型(不育细胞质来源于 ZD8319)大豆细胞质雄性不育系的遗传模式、不育和恢复机理及不育基因和恢复基因的分子标记等研究上尚是空白。 本研究以育成的 RN 型大豆细胞质雄性不育系 YA、YB,ZD 型大豆细胞质雄性不育系 ZA、ZB 和相应的恢复系为基本试材,组配一系列杂交组合。通过对 F1、F2 和回交后代的育性分离情况,推测不育系保持基因和恢复基因的数量及显隐性关系,确定RN 型和 ZD 型大豆细胞质雄性不育系的遗传模式;利用不育系与恢复系构建的 F2 分离群体,采用 SSR 分子标记技术,寻找恢复基因的连锁标记;以育成的 3 对稳定 RN 型大豆细胞质雄性不育系和保持系为试材,采用 RAPD 分子标记技术,对不育系和保持系的mtDNA 多态性进行分析和研究。得到以下主要结果: 1.以花粉败育率作为衡量大豆细胞质雄性不育植株育性的指标,组配了(167×YB)、(YA×167)、(YA×Y12R)、(ZD8319×ZB)和(ZA×ZD8319)五个杂交组合,通过 F1 育性检查,所有 F1 花粉均表现为半不育,这一现象是单基因配子体不育的典型特征。通过对以上组合 F2 育性分离结果的调查,及五个三交组合 YA×(167×YB)、YA×(YB×167)、(YA×167)×YB、ZA×(ZD8319×ZB)和 ZA×(ZB×ZD8319)F1 的育性表现,证明 rf 基因位点不能通过雄配子传递,这是配子体不育的另一典型遗传特征,根据以上研究结果,确定 RN 型和 ZD 型大豆细胞质雄性不育系为单基因配子体不育。 2.通过在遗传模式研究中对出现的各种育性单株的分析,及参考玉米、水稻等作物不育系研究上的经验,认为大豆雄性不育的表达受环境条件的调控,在不同的环境条件下,雄性育性会发生转换,育性转换有时是量变式的,有时是质变式的。量变表现在植株花粉败育率的高低,具体体现为年际之间同一材料育性的变化。而质变则可以造成细胞质反转,即不育细胞质转变为可育细胞质,使后代群体中出现期望之外的育性植株。而且出现这种质变的频率与植物的基因型有关。 3.以 YA、ZA 为母本进行测交,发现两个不育系均能被 167、ZD8319 两个恢复系恢复,又都同时能被 YB 保持。两个不育系对测交亲本 GD589、KN4、JLCMS2-2B、JLCMS2-20B、吉恢 4 号、吉恢 1 号、567666、吉恢 2 号的恢保反应是一致的,因此确认这两个类型的不育系不育基因是相同的,它们有基本相同的保持源和恢复源。 4.通过遗传研究确认 RN 型大豆细胞质雄性不育系育性恢复是由单显性基因控制的,选用 210 个 SSR 引物,利用 YA 与 167 杂交的 F2 分离群体,获得了与恢复基因连 锁的两个标记 Satt414 和 Satt596,遗传距离分别为 16.4cM 和 14.6cM。为了找到更近的分子标记,构建了 Satt414 和 Satt596 附近的所有 SSR 引物,并利用两个遗传差异较大的亲本重新构建了分离群体,从而获得了与恢复基因紧密连锁的标记 Satt547,遗传距离为 7.56cM。并根据 Cregant 等构建的大豆分子标记遗传连锁图,将恢复基因定位于MLG J 连锁群上。 5.将 RAPD 技术应用于研究大豆不育系和保持系线粒体 DNA 多态性,结果表明,RAPD 技术研究大豆线粒体 DNA 具有较好的稳定性和重复性。在 380 个 RAPD 引物中,有扩增产物的有 264 个,其中有 32 个引物对 3 对不育系和保持系线粒体 DNA 产生扩增差异。对其中 14 个引物扩增结果进行归纳,在不育系上共扩增出大于 4.0kb 及 3.0kb、1.8kb、1.4kb 和 1.3kb 五条特异带,在保持系上扩增出 3.0kb、2.0kb、1.6kb、1.3kb、0.7kb 和 0.6kb 六条特异带,共计扩出 11 条特异带。这些差异是质的差异,即各自有自己明显的特异带;还有一种差异是量的差异,即虽然不育系和保持系都有这条带,但带的强度存在明显的差异。这些质和量的差异可能与大豆的雄性育性有关。


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