杂种优势利用是显著提高作物产量的主要途径,有助于解决日益增长的人口数量与有限耕地之间的矛盾.大豆作为世界上重要的粮油饲兼用作物,其开展杂种优势利用已有30余年.其中,基于细胞质雄性不育的三系法杂交育种系统是大豆杂种优势利用的主要途径.目前,已有40余个杂交大豆品种通过审定并在生产上推广应用,杂交大豆正处于由中试向产业化推进阶段.本文对大豆细胞质雄性不育遗传基础与育种应用进行了综述,系统阐述了各类型细胞质雄性不育系的发现及利用、不育性状的遗传和分子机制、育性恢复基因和恢复抑制基因的定位和克隆等方面的研究进展.基于大豆杂种优势利用研究现状论述和分析,提出了三系法杂交大豆育种中存在的问题、挑战及解决路径,并对三系法杂交大豆育种技术的创新进行了展望,旨在为大豆杂种优势分子基础和应用研究提供新方法、新思路.

大豆(Glycinemax(L.)Merr.)是自花授粉作物,通过人工去雄的办法生产杂交种,不仅繁琐且成本高.雄性不育基因功能的研究是大豆杂种优势利用的前提之一,大豆雄性不育位点报道较少,定位及功能研究进展缓慢.随着大豆转基因体系的成熟及生物技术的发展,利用反向遗传学研究大豆雄性不育基因的功能变得相对容易.本研究通过转录组数据分析发现大豆中编码小G蛋白的GmARFA1a受到大豆雄性育性控制基因MS1(Male Sterile 1)和MS2的调控,公共数据库数据表明GmARFA1a在大豆未开放的花中表达量最高,而qRT-PCR数据进一步明确GmARFA1a在大豆授粉前雄蕊中优势表达.花粉萌发实验及结实率统计发现Gmarfa1a突变体花粉活力下降导致结实率受到明显抑制.本研究对GmARFA1a基因功能进行了初步解析,明确其对大豆雄性育性存在一定影响.研究结果不仅丰富了对GmARFA1a乃至ARF基因家族成员功能的认识,也为后续深入研究大豆GmARFA1a功能及大豆杂种优势利用奠定了基础.

光温敏核雄性不育系在不同的生态环境条件下可以实现一系两用,简化制种程序,是农作物杂交种子生产的一种重要资源.简要介绍了主要作物杂交种子生产方式,综述了水稻、小麦、玉米、谷子等作物光温敏核雄性不育系的研究进展以及在两系杂交种子生产上的应用,并探讨了光温敏核雄性不育系的应用前景.

玉米是杂种优势利用最成功的作物之一,采用细胞质雄性不育(CMS)进行玉米杂交种生产已成为杂种优势利用的有力工具.CMS是由于细胞质和细胞核的基因表达产物的不协调而产生的不育性,可被核基因组中的恢复基因恢复.根据育性恢复专效性,玉米CMS材料主要分为T、C和S三种类型.综述了这三种类型不育及其恢复基因的研究进展,分析了在不育化制种中的应用情况.

雄性不育是植物雄性细胞或生殖器官丧失生理机能的现象,该现象的利用大大提高了杂交种生产的效率.植物雄性不育包含细胞质雄性不育、不受环境影响的核雄性不育、光温敏型雄性不育及化学诱导的雄性不育.这些不育类型也已经被以三系或二系的方式应用于很多作物的杂交种生产中.综述了雄性不育各个途径的研究进展及其在作物杂种优势中的应用.

玉米是最早利用细胞质雄性不育系生产杂交种的作物之一,C型细胞质雄性不育系(C-type cytoplasmic male sterile, CMS-C)在杂交种生产中具有重要的作用,育性恢复的稳定性直接影响其应用价值.然而,玉米CMS-C的育性恢复机理复杂,且至今仍不明确.为进一步探究玉米CMS-C育性恢复的影响因素,本研究以玉米CMS-C同质异核不育系C48-2、C黄早四和C478为母本,分别与测验系18白、自330、5022以及恢复系A619组配杂交获得F1.其中育性恢复F1通过自交获得F2,并以育性恢复F1为父本分别给育性保持F1授粉,组配双交群体,共获得4个 F2群体,6个双交群体.同时以不育系 C48-2、C黄早四和C478为母本,各自的保持系48-2、黄早四和478为父本杂交组配不完全双列杂交 F1.将所有杂交组合的 F1、F2以及双交组合群体分别在不同年份不同地点种植观察,通过植株田间育性调查并结合室内花粉镜检鉴定育性表现.结果表明:1)同一测验系对玉米CMS-C同质异核不育系的恢保关系不同,暗示不育系的核背景参与调控育性恢复表现;2) 在不同年份不同地点对(C48-2×A619) F2群体进行种植观察,发现不同环境下F2群体可育株与不育株的分离比均符合15:1,但在云南种植的可育株的育性级别主要为Ⅲ和Ⅳ级,而在四川种植的可育株的育性级别主要为Ⅴ级,表明环境对恢复系A619恢复后代的育性表现有影响;3) 通过恢保关系测定发现18白不能恢复C478,48-2也不能恢复C478,但双交群体[(C478×18白) F1S×(C48-2×18白) F1F]后代却出现了可育株与不育株的分离;同理,双交群体[(C48-2×自330) F1S×(C478×自330) F1F]的后代也出现了可育株与不育株的分离.因此,本文推测C48-2、C478核背景中存在微效恢复基因,这些微效基因与18白、自330中的微效恢复基因通过杂交聚合后能使C478、C48-2的育性恢复,暗示玉米CMS-C的育性恢复呈现一定的剂量效应.这些结果为进一步认识玉米CMS-C育性恢复的复杂性和多样性奠定了基础,为深入研究玉米CMS-C育性恢复机理以及加快CMS-C在不育化制种中的应用提供重要参考.

甜瓜是国内外重要的园艺经济作物.目前,生产上推广甜瓜品种性型绝大多数为雄花两性花同株,杂交种生产中需人工去雄且易混杂,而利用全雌系作母本可降低人工成本,提高制种效率,对于保证杂交种纯度具有重要意义.全雌系基因型为AAgg,利用常规方法合成全雌系较为困难,急需开发实用的分子标记并进行辅助选择育种来培育优异的全雌系.本研究根据g基因下游存在一个Gyno-hAT转座子插入,开发了可特异鉴定该基因的g-F/R标记.利用该标记对全两性花B15与雄花两性花054构建的F2分离群体进行性型分子鉴定,辅以上下游2对InDel标记C5-9和C5-10对鉴定结果进行验证,表明g-F/R标记检测准确率几乎可达100％.此外,利用该分子标记对36份甜瓜材料进行基因型检测,可特异鉴定出携带g基因的2份全两性花材料B15和B18.本研究结果为通过分子育种手段高效利用g基因培育新的甜瓜全雌系提供了手段.

该研究以大花蕙兰'红酒'(Cymbidium hybridum'hongjiu')×莲瓣兰'边草素花'(C.tortisepalum'biancaosuhua')F1代杂交种原球茎和根状茎为材料,比较了不同激素配比增殖分化、生根的培养基,建立了适用杂交兰组培快繁体系.结果表明:1/2MS+6-BA 1.0 mg?L-1+NAA 1.0 mg?L-1+AC 0.05％+香蕉80 g?L-1对原球茎增殖效果最佳,增殖率达到307％;1/2MS+6-BA 1.5 mg?L-1+NAA 1.0 mg?L-1+AC 0.05％+香蕉80 g?L-1有利于原球茎分化,分化率为82％;1/2MS+TDZ 2.0 mg?L-1+NAA 0.1 mg?L-1+AC 0.05％+香蕉80 g?L-1对根状茎增殖分化效果最佳,增殖率为293％,分化率为79％;1/2MS+IBA 0.5 mg?L-1+NAA 0.3 mg?L-1+AC 0.05％+香蕉80 g?L-1为最佳生根培养基,生根率达到84.7％,且根粗苗壮,叶色浓绿.此体系为杂交兰种苗的规模化生产提供了技术支持.

雄性不育是指植物雄蕊不能正常生长和产生有活力花粉粒的现象.利用雄性不育突变体开展杂交育种工作,是快速提高作物单产的有效途径.目前,通过杂种制种已大幅度提高了水稻(Oryza sativa L.)、玉米(Zea mays L.)和小麦(Triticum aestivum L.)等作物的产量.大豆(Glycine max(L.)Merr.)作为自花授粉作物,通过人工去雄生产杂交种子不仅困难而且经济上不可行.由于适用于杂交种生产的不育系资源短缺,目前大豆还没有实现大规模杂种优势利用.因此,快速实现大豆杂种优势利用迫切需要鉴定稳定的大豆雄性不育系统.本文总结了大豆细胞核雄性不育(genic male sterility,GMS)突变体及不育基因研究进展,同时结合拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻和玉米中已报道的细胞核雄性不育基因,从反向遗传学的角度,为大豆核雄性不育基因的鉴定提供依据.

穗腐病是玉米生产上最重要的病害之一,严重影响其产量和品质,威胁人畜健康.选育和利用优良的抗穗腐病品种,是防治玉米穗腐病最为经济有效的措施.利用花丝通道注射法,在北京昌平和海南三亚2个试验点,对346份玉米自交系进行了抗拟轮枝镰孢与禾谷镰孢穗腐病的鉴定与评价.综合分析2个试验点的抗性鉴定数据表明,对拟轮枝镰孢穗腐病表现高抗、抗病、中抗、感病和高感的材料分别为l、43、106、147和49份,占总鉴定材料的0.3％、12.4％、30.6％、42.5％和14.2％;对禾谷镰孢穗腐病表现高抗、抗病、中抗、感病和高感的材料分别为10、32、55、79和170份,占比分别为2.9％、9.3％、15.9％、22.8％和49.1％.对2种镰孢穗腐病同时表现中抗以上水平的种质共45份,其中1份(15-TL-1224)高抗2种穗腐病、2份(PT351-1、18-QTL-25)对禾谷镰孢和拟轮枝镰孢穗腐病表现高抗和抗病,18-QTL-04、18-YJY-18、18-YJY-02、18-HDY-14种质同时表现抗病,是难得的抗穗腐病资源.对上述45份抗病种质和144份感病材料进行的2种穗腐病抗性相关性分析表明,45份抗病种质对2种穗腐病的抗性相关系数为0.24,144份感病材料对2种穗腐病抗性的相关性系数为-0.16.40对多态性SSR引物对其中41份抗性材料中扩增出183个等位基因,多态性位点百分率为100.00％,平均等位基因数和有效等位基因数分别为3.7556、7.6923,平均Nei's基因多样性、Shannon's信息指数分别为0.6596、1.4458,平均多态信息含量为0.326,变幅为0.0513～1.0000.通过UPGMA聚类分析,41份抗病材料被划分为7个类群,分别是美国现代杂交种中B群种质(PB)、兰卡斯特(Lan)、未知类群、美国现代杂交种中A群种质(PA)、旅大红骨(LRC)、衣阿华坚秆综合种(BSSS)和塘四平头(TSPT),表现出较高的遗传多样性,其中PA类群和PB类群包含的抗病种质最多.研究结果将为玉米穗腐病抗病育种中抗源的选择和利用提供参考.