水稻染色体组多倍化研究：同源四倍体水稻与狼尾草杂交效果

2023-11-28 理论教育版权反馈

【摘要】：在同源四倍体水稻中的子房膨大效应比二倍体水稻中的子房膨大效应更加明显。本文报道了以多个同源四倍体水稻为杂交母本与狼尾草进行杂交，由此获得实粒种子的试验结果。相反，同源四倍体水稻的有性生殖能力比较弱，其遗传保守性比较小而遗传可塑性比较大，利用同源四倍体水稻与狼尾草进行杂交则难度比较小，成功的可能性比较大。

同源四倍体水稻与狼尾草杂交的效果⁽¹⁾

黄群策

摘要　利用APIV₍₄₎、IR36₍₄₎、紫血稻₍₄₎、测64₍₄₎、明恢63₍₄₎、IR28₍₄₎、测90₍₄₎和桂99₍₄₎等8个同源四倍体水稻(Oryza sativa，2n=4x=48)为杂交母本，以狼尾草(Pennisetum alopecuroides，2n=2x=18)为杂交父本进行杂交，获得了实粒种子。但是，在以APIV₍₂₎、测90₍₂₎和紫血稻₍₂₎这3个二倍体水稻(Oryza sativa，2n=2x=24)为杂交母本，以狼尾草为杂交父本的杂交组合中却没有获得实粒种子。在授粉后狼尾草的花粉粒能诱导杂交母本的子房发生明显膨大。在同源四倍体水稻中的子房膨大效应比二倍体水稻中的子房膨大效应更加明显。在以同源四倍体水稻为杂交母本的杂交组合中，可以获得一些实粒种子，但是，如果在授粉前利用DH溶液对同源四倍体水稻的去雄颖花进行处理后再授狼尾草的花粉粒则能获得更多的实粒种子。结果暗示由于同源四倍体水稻具有比较弱的有性生殖能力，在远缘杂交中它们是比较好的杂交母本。

关键词　水稻;狼尾草;远缘杂交;种子;多倍体

已知植物经过长期进化后每个物种所具有的遗传基础或基因库相当有限，而在整个植物界中却存在着无穷无尽的基因资源，其中包括育种家们期望着获得的各种各样的有益基因。通过远缘杂交将野生植物中的异源有益基因引入栽培作物，进而创造出农作物新种质已经成为作物育种中一项重要的研究内容。在水稻的远缘杂交中，国内曾先后获得了水稻与高粱、假稻、狼尾草、竹子及芦苇等的属间杂种后代，并对某些杂种及其后代进行了细胞学和遗传学研究^［1－6］。前人在进行杂交配组时的特点就是利用二倍体水稻(Oryza sativa，2n=2x=24)为杂交母本与其他远缘物种进行杂交，其杂交成功率相当低。在利用二倍体水稻与狼尾草(Pennisetumalop ecuroides，2n=2x=18)进行杂交时发现，由此很难获得实粒种子^［7］。根据同源四倍体水稻(Ory za sativa，2n=4x=48)具有比较弱的有性生殖能力，其遗传可塑性比较大而遗传保守性比较小的特^［8－10］，利用同源四倍体水稻为杂交母本与其他远缘物种进行杂交，由此进一步创造出水稻新种质则是值得探讨的问题。本文报道了以多个同源四倍体水稻为杂交母本与狼尾草进行杂交，由此获得实粒种子的试验结果。

1　材料与方法

在试验中以APIV₍₄₎［试验材料的下标(4)和(2)分别代表同源四倍体和二倍体］、IR36₍₄₎、紫血稻₍₄₎、测64₍₄₎、明恢63₍₄₎、IR28₍₄₎、测90₍₄₎和桂99₍₄₎等同源四倍体水稻^{［11，12］}以及APIV₍₂₎、测90₍₂₎和紫血稻₍₂₎等二倍体水稻为杂交母本，以狼尾草为花粉供体在福建农业大学作物遗传育种研究所进行杂交配组。在进行授粉的前一天下午对母本材料的稻穗进行修整，随后套袋隔离。每份材料去雄42～52个稻穗，每个稻穗上保留20～40个去雄颖花。在本试验中设计5种处理:其一是在每份材料中保留2个去雄稻穗不作任何处理，在套袋中让其自然发育，以便检查去雄效果;其二是在每份材料中取10个去雄稻穗在去雄后的第2天上午用蒸馏水滴入颖壳内后再套袋隔离;其三是在每份材料中取10个去雄稻穗在去雄后的第2天上午向每个颖花内滴入1滴DH溶液(其主要成分是有机化合物)，然后套袋隔离;其四是在去雄后第2天上午向每份材料中的10～20个去雄稻穗的颖花内滴入1滴DH溶液，30min后取新鲜的狼尾草花粉粒进行授粉，第2天再重复授粉1次;其五是在去雄后第2天上午直接给每份材料中的10个去雄稻穗授以新鲜的狼尾草花粉粒，第2天再重复授粉1次。在授粉后观察各颖花内的变化状况，直到45 d后统计和检查试验结果。

2　结果与分析

在本试验的第1种处理中，颖花经去雄后套袋隔离，让其自然发育，所有去雄颖花均没有出现子房膨大现象，也没有产生实粒种子，这说明去雄很彻底。在第2种处理和第3种处理中，蒸馏水和DH溶液均没有引起去雄颖花发生子房膨大现象，更没有获得实粒种子。

在第4种处理中，在去雄后第2天上午向颖花内滴入1滴DH溶液，30min后再授以新鲜的狼尾草花粉粒，第2天再进行重复授粉处理，结果使部分去雄颖花内出现子房膨大现象，但在同源四倍体材料中的子房膨大频率要明显地高于二倍体材料中的子房膨大频率。在二倍体材料中，在授粉后除了使部分颖花内的子房发生膨大之外，没有产生出实粒种子。二倍体母本材料在授粉后3～5 d其子房膨大很明显，在授粉后5～8 d则子房不能继续膨大，其内充满着水溶液，最后只剩下干瘪的子房壁。在同源四倍体水稻中，授粉后子房膨大相当明显，但各颖花内的子房膨大状态有一定的差异，其中包括3种子房膨大类型。其一是在授粉后5～6 d开始膨大，到授粉后8～10 d就停止膨大，其内包含有水溶液，最后只剩下干瘪的子房壁;其二是在授粉后5～6 d开始膨大，膨大速度很缓慢，到授粉后14～15 d才停止进一步膨大，其内包含有乳白色的水溶液;其三是在授粉后5～6 d开始膨大，膨大速度相当缓慢，到授粉后15～20 d达到最大，最后能发育成饱满的种子。

在试验中发现，在狼尾草花粉的刺激下各份杂交母本的颖花内都出现了不同程度的子房膨大现象，但二倍体水稻的子房膨大频率明显地低于同源四倍体水稻的子房膨大频率。通过二倍体水稻与狼尾草杂交没有得到实粒种子，但由同源四倍体水稻与狼尾草杂交却获得了饱满的实粒种子，其结实率的变幅为2.42%～6.08%(表1)。由此可见，同源四倍体水稻与狼尾草杂交表现出一定的可交配性，可以获得饱满的实粒种子。我们认为，二倍体水稻的有性生殖能力很强，其遗传保守性比较大而遗传可塑性比较小，这是经过长期自然选择和人工选择的结果，因而利用二倍体水稻与狼尾草进行杂交则难度比较大，成功的可能性比较小。相反，同源四倍体水稻的有性生殖能力比较弱，其遗传保守性比较小而遗传可塑性比较大，利用同源四倍体水稻与狼尾草进行杂交则难度比较小，成功的可能性比较大。

表1　水稻(♀)×狼尾稻(♂)的杂交结果

注:表中数据为处理4的杂交结果

在第5种处理中，直接给去雄颖花授以新鲜的狼尾草花粉粒，第2天再重复授粉1次，其结果与第4种处理的结果很类似，即狼尾草的花粉粒能引起部分颖花发生子房膨大，同源四倍体水稻的子房膨大频率要明显地高于二倍体水稻的子房膨大频率;在3份二倍体水稻中没有因授给狼尾草花粉粒而获得实粒种子;在8份同源四倍体水稻中因授给狼尾草花粉粒而获得了实粒种子，但由此所获得的实粒种子数比较少(表2)。

表2　水稻(♀)×狼尾稻(♂)的杂交结果

续表2

注:表中数据为处理5的杂交结果(www.chuimin.cn)

3　讨论

通过适当方式将远缘物种中的有益基因引入栽培稻中，进而创造出栽培稻新种质，这对于水稻超高产育种将具有重大的意义。前人曾期望着通过二倍体水稻与狼尾草杂交后将狼尾草的抗性基因和无融合生殖基因等引入栽培稻，但由于在进行杂交时两者表现出明显的生殖隔离，其技术难度比较大，还有许多技术问题有待于解决。在本试验中，我们以同源四倍体水稻为杂交母本，给去雄颖花授以新鲜的狼尾草花粉粒，这不但能引起受体中部分颖花内的子房发生明显膨大，还能由此获得饱满的实粒种子。如果在授粉之前利用DH溶液处理去雄颖花后再授粉则能获得更多的实粒种子。除此之外，给二倍体水稻中的去雄颖花授以狼尾草的花粉粒则仅仅引起少部分颖花内的子房发生膨大，没有由此获得实粒种子。我们认为，同源四倍体水稻与狼尾草杂交表现出一定的可交配性，由此可以获得饱满的实粒种子，这与其有性生殖能力比较弱有一定关系。同源四倍体水稻的染色体多倍化导致了其有性生殖能力变弱，其遗传保守性比较小而遗传可塑性比较大，因而利用同源四倍体水稻为母本与狼尾草进行杂交则难度比较小，成功的可能性比较大。相反，二倍体水稻的有性生殖能力很强，其遗传保守性比较大而遗传可塑性比较小，这是经过长期自然选择和人工选择的结果，因而，利用二倍体水稻为杂交母本与狼尾草杂交则难度比较大，成功的可能性比较小。

参考文献

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［7］王敬驹，孙敬三．水稻×狼尾草胚胎发育的细胞学观察［J］．植物学报，1981，23(2):104－109．

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［9］黄群策．被子植物无融合生殖的研究［M］．福州:福建科技出版社，1999．

［10］宋文昌，张玉华．水稻四倍化及其对农艺性状和营养成分的影响［J］．作物学报，1992，18(2):137－144．