第十一章 雄性不育及其杂种品种的选育

第十一章雄性不育及其杂种品种的选育
1.概念：雄性不育：是指雄性器官发育不良，失去生殖功能，导致不育的特性。

2.雄性不育性在植物界普遍存在。

据Kaul(1988) 报道，已经在43科162属617个物
种及种间杂种中发现了雄性不育，其中包括玉米、水稻、小麦、高粱、油菜、棉花
等主要农作物。

3.雄性不育可作为重要工具用于各种作物的杂交育种和杂种优势利用。

4.当杂交母本获得了雄性不育性，就可以免去大面积繁殖制种时的去雄劳动，降低生
产成本，提高杂种种子质量，带来更大的经济效益。

5.雄性不育可分为能遗传的和不能遗传的。

第一节雄性不育的遗传
遗传的雄性不育分为质核互作不育和核不育两种类型。

一、质核互作雄性不育的遗传解释
(一)质核互作雄性不育的遗传解释
1.概念：质核互作雄性不育是受细胞质不育基因和对应的细胞核不育基因共同控制的不育类型，常被简称为胞质不育(CMS)。

2.遗传：①当胞质不育基因S存在时，核内必须有相对应的隐性不育基因rr，才表现不育。

②在杂交或回交时，只要父本核内没有显性可育基因R，则杂交子代一直保持雄性不育，表现细胞质遗传的特征。

③如果细胞质基因是正常可育基因N，即使核基因是rr，仍然正常可育；④如果核内存在显性可育基因R，不论细胞质是S或N，个体均表现育性正常。

按照细胞质中有可育基因N或不育基因S，细胞核中有显性可育基因RR，隐性不育基因rr，杂合基因Rr，质核结合后将会组成6种基因型如表11-1。

6种基因型中只有S(rr)一种不育，具有这种基因型的品系或自交系就称雄性不育系，简称不育系(A)。

其余5种基因型都是可育的，如果以不育型为母本，分别与5种可育型杂交将会出现以下三种情况：
(1)S(rr)×N(rr)→S(rr)，F
全部表现不育，说明N(rr)具有保持不育性在世代中稳定
l
传递的能力，具有N(rr)基因型的品系或自交系称雄性不育保持系，简称保持系(B)。

全部正常能育，说明这两种 (2)S(rr)×N(RR) →S(Rr)，或S(rr) ×S(RR) →S(Rr)，F
1
基因型都能使不育性恢复正常，具有N(RR)或S(RR)基因型的品系或自交系称雄性不育恢复系，简称恢复系(R)。

表现育性分离， (3)S(rr)×N(Rr) →S(Rr)+S(rr)，或S(rr)×S(Rr) →S(Rr)+S(rr)，F
1
说明N(Rr)或S(Rr)具有杂合的恢复能力，N(Rr)的自交后代能选育出纯合的保持系N(rr)或恢复系N(RR)；而S(Rr)的自交后代能选育出不育系S(rr)和纯合恢复系S(RR)。

3.应用：质核互作雄性不育的一大特点是能实现三系配套，并能通过三系法将杂种优势应用于生产。

(二)多种质核基因对应的遗传
1.同一植物内可以有多种质核不育类型。

例如：玉米中38种不同来源的质核型不育系，根据其恢复性反应的差别，大体可分为T、S、C三组
2.每种不育类型都需要某一特定的恢复基因来恢复，反映恢复基因有专效性和对应性。

①多样性和对应性表现在细胞质中和染色体上分别有多个对应位点与雄性不育有关。

②在细胞质中存在多个可育基因N1、N2…N n，它们不育性的变异便对应为：N1→S1，N2→S2，…N n→S n。

③在核内染色体上相对的不育基因分别为r1、r2、…r n；其可育基因则相对应为r1→R1、r2→R2、…r n→R n。

④核内的育性基因总是与细胞质的育性基因发生对应互作，不同的质核对应互作有不同的遗传基础和育性表现，它们之间是相互独立，互不干扰的。

3.在不育系的选育实践中，正反交育性见表11-2。

(三)孢子体不育和配子体不育的遗传
按照雄性不育花粉败育发生的过程，可分为孢子体不育和配子体不育两种类型。

1．孢子体不育
①孢子体雄性不育是指花粉育性的表现由孢子体(母体植株)的基因型控制，与花粉(配子体)本身的基因无关。

②花粉败育发生在孢子体阶段，当母体植株是S(rr)不育时，花粉全部败育，而当母体植株可育时，不管基因是纯合还是杂合，全部花粉都是可育的。

③孢子体不育的特点是：不育系与恢复系杂交，杂种一代，花粉全部正常，但杂种二代因不育基因分离重组，将有不育株产生。

水稻野败型、玉米T型不育系就属于这一类型。

2．配子体不育
①配子体雄性不育是指不育系的花粉败育发生在雄配子体阶段，花粉的育性受配子体本身基因型控制，因此配子体基因为不育时花粉表现不育，配子体基因为可育时花粉表现正常。

②配子体不育的特点是：不育系与恢复系杂交所获得的杂种一代，花粉有二类(不育和可育)，且各占一半。

但是它并不影响结实，子一代的结实率全部正常，由于子一代带不育基因的花粉败育不参加受精，因此子二代配子有二种基因型(RR、Rr)存在，但都结实正常，没有不育株出现。

水稻包台型，玉米M型不育系均属此一类型。

(四)主基因不育和多基因不育
1.主基因控制的质核互作不育：指一对或两对核基因与对应的不育胞质基因决定的不育性。

一对或两对显性的核基因就能使育性恢复正常（如油菜波里马和陕2A不育系）。

2.多基因不育性：指由两对以上的胞质基因与对应的核基因共同决定的。

①在这种情况下，有关的基因有较弱的表现效应，但是它们彼此间往往有累加效果。

②当不育系与恢复系杂交时，F1的表现常因恢复系携带的恢复基因多少而表现不同，F2的分离也较为复杂，常呈从育性较好到接近不育的许多过渡类型（如小麦T型不育系）。

二、核雄性不育的遗传
(一)核雄性不育的遗传
1.核雄性不育是受细胞核不育基因控制的，与细胞质没有关系。

2.一般核不育基因是隐性的，而正常品种具有可育基因是显性的，所以核不育的恢复品种很多，但保持品种没有，不能实现三系配套。

3.实践表明：一些自然突变产生的不育株及通过理化诱变获得的不育株多属核不育类型，一般都是单基因控制的不育，它的细胞核内含有纯合的不育基因(msms)，而在正常品种细胞核内含有纯合的可育基因(MsMs)
4.当不育株与正常株杂交，F l便恢复可育，F2分离出不育株，一般可育株与不育株的比例为3：1。

核不育后代分离符合孟德尔定律。

(二)显性核雄性不育的遗传
不育性受一对显性基因(MsMs)控制时，用带隐性基因(msms)的可育材料与它杂交，杂种为杂合基因型(Msms)，全部植株都是雄性不育的，继续用可育株(msms)与它杂交，杂种是1：1(可育：不育)分离。

(三)环境诱导核雄性不育的遗传
20世纪70年代以来，我国陆续在水稻、小麦、大豆等主要农作物中发现了光温敏核不育种质，表现出光温等环境因子诱导性不育的现象。

水稻光温诱导雄性不育的特性有：
(1)诱导育性转换的主导因子是光和温。

根据光温作用可分为三类：①第一类，光照长度是决定育性转换的主要因子，温度只起协调作用，称光敏型，这类型包括长光不育、短光可育和短光不育、长光可育二种；②第二类，育性受控于幼穗发育敏感期的温度，光照长度基本不起作用，称温敏型，这类型包括高温不育低温可育和高温可育低温不育二种；③第三类，难以分清楚光、温的主次作用，表型上是一种互作关系，称光温互作型。

(2)光诱导的敏感期是幼穗发育期中的第二次枝梗原基分化至花粉母细胞形成期，对光敏感的部位，也就是调节育性转换的光受体是光敏色素。

温诱导的敏感时期是幼穗发育的整个时期，特别是花粉母细胞减数分裂前后，即花粉母细胞形成至花粉内容充实期。

对温敏感的部位是生长点的分生细胞。

(3)育性的转换是量变到质变的过程，在不育的光温条件得到满足时，植株的不育率和不育度都可达到100％，在可育的光温条件得到满足时，植株的可育率可达到100％。

但是可育度与正常品种稍有差异，只能达到基本正常。

光温诱导雄性不育的遗传研究已获得了以下结果：①细胞核隐性基因控制，不表现细胞质效应，属孢子体不育类型；②有些种质及部分组合杂交F2和BCF1群体中，可育株与不育株分别表现为3：1和1：1分离，即表现受一对主效基因控制；另一些种质及部分组合杂交F2和BCF l群体中，可育株和不育株分别表现15：1和3：1分离，即受二对主效基因控制；
③不论是一对主基因或二对主基因控制都认为有微效基因的修饰作用存在；④在进行了基因的等位性分析后，证实目前水稻的光温敏核不育基因有些等位有些不等位，最少涉及到5个以上不同位点的基因。

(4)应用意义：①开辟了二系法利用杂种优势这一重要途径，在理论和实践上都具有重要意义。

②可以免去不育系繁殖的异交过程；③免去不育细胞质带来的各种负作用；④以及由
于恢复源广，配组自由，获得强优组合的几率大大提高。

⑤但是光温敏核不育系的繁殖、制种过程受到一定光温条件的制约。

第二节雄性不育的生物学特性
一、雄性不育的形态差异
1.雄性不育植株在外部形态上与同品种的正常株极为相似；
2.不育株和可育株可以从雄花的形态上加以辨别：①正常植株的花药都是黄色肥大饱满的，内含很多成熟花粉，在适宜条件下能够充分裂开将花粉散出。

而不育株的花药则色浅瘦小干瘪，内无花粉或无正常花粉，在适宜条件下，花药不能开裂，也无花粉散出；②正常植株的花粉粒充实饱满，形状大小一致，数量多，散粉明显。

而不育株的花粉粒畸形皱缩不规则，无内容物不能散粉，也有一些小粒花粉虽然形状一致但没有淀粉充实，形如一个空泡。

3.其他的异常形式，如花丝畸形、花药退化等。

二、雄性不育的细胞学特征
雄性不育的细胞学特征主要反映在花粉败育过程和花药组织结构异常两方面。

(一)雄性不育的花粉败育特征
单子叶植物的花粉败育多数达到或接近双核期；双子叶植物花粉败育则多在四分体形成以前的时期。

不育系花粉的败育或退化，大都发生在以下四个时期：小孢子母细胞形成期；小孢子母细胞减数分裂期；单核花粉期；二核和三核花粉期。

其中前两个时期败育的较少，以单核花粉期的败育最为普遍。

花粉败育根据败育时期和形成结构可划分为三种类型。

1．无花粉型细胞解体成碎片状最后导致花粉囊中无花粉。

2．单核败育型通过减数分裂形成的四分体进一步发育形成花粉粒，刚形成的花粉粒是一个单核的细胞，在单核花粉晚期败育的称单核败育型，花粉囊中有各种畸形花粉粒。

3．双核败育型花粉发育进入双核以后至花粉发育成正常花粉以前败育的称双核败育型，这时生殖核和营养核逐步解体消失，多成空壳花粉或小粒花粉。

有些不育系可能只表现在同一时期败育的一种花粉败育型，但有些不育系则可能同时存在不同时期败育的多种花粉败育型。

一般规律显示，孢子体不育遗传型的花粉败育相对较早，多为单核败育型，而配子体不育的花粉败育相对较迟，多为双核败育型。

败育花粉特征：细胞质稀薄，细胞器较少，质体膨胀；线粒体基质发亮，嵴短而少，逐步退化；内质网不发达，核糖体多呈聚核糖体，液泡增多等现象；由于液泡膜内陷而破坏，水解酶功能活跃。

(二)雄性不育花药壁的异常结构
1．绒毡层细胞的异常现象绒毡层细胞是花粉囊中最内层的细胞，代谢活动旺盛，它向外紧贴周围母体组织，向内与花粉母细胞密切相连，营养物质与水分需通过绒毡层细胞输送或由它本身细胞解体以提供花粉发育所需物质，因此，绒毡层细胞发育正常与否，对花粉粒的育性有密切关系，正常的绒毡层细胞伴随着花粉成熟而渐渐退化，最后仅留残片。

雄性
不育花药的绒毡层往往表现有多种异常现象，如绒毡层细胞过度生长，肥大，或形成绒毡层周缘质团，有的形成多核原生质团或不解体液泡化；还有的绒毡层细胞迅速解体和消失或与花粉粒退化一同消失等等。

绒毡层细胞的发育异常，可使小孢子发育为成熟花粉时所需要的大量营养物质供应过程遭到破坏，使大多数小孢子仅发育到一定阶段，而不能继续发育下去，导致花粉败育。

2．中间层细胞的异常现象在纤维层与绒毡层之间有中间层，从单核败育型的材料可看出，不育系花药一旦由单核期进入有丝分裂期阶段时，中间层细胞开始沿花药的径向厚度增大而液泡化，并将绒毡层细胞推向中央，随后中间层细胞不断液泡化增大，绒毡层细胞迅速破坏消失，药室内单核花粉开始败育。

3．花药壁结构的异常及其他有的表现在花粉囊发育不良，形成特大的药室、退化的小药室或药壁下陷皱缩，有的还出现药室合并等异常现象。

4.雄性不育花药的纤维层细胞随着花药的增大，不能沿垂周方向产生强烈的环状次生增厚条纹，从而无力拉动花粉囊的开裂。

5.雄蕊花丝和药隔维管束也因作物不同和不育类型不同而存在差异，有的不育系药隔维管束发育比较差，韧皮部和木质部分化不好，维管束鞘不明显，细胞退化，排列紊乱，花丝维管束也有导管退化的表现。

三、雄性不育的生理生化特性
不育系的生理代谢水平要比可育系低。

(一)物质运输和代谢
不育系吸收强度明显低于可育系的时期与供试材料的败育时期是相吻合的，同时吸收强度的差异明显地表现在花药、穗枝梗和颖花的维管束等部位，而子房部位吸收强度与可育系相同，这说明不育系子房物质代谢和发育是正常的，但花药的代谢发生障碍。

(二)能量代谢
多种生物的花粉败育过程都表明花药中ATP的含量与育性密切相关，可育株的ATP含量比不育株高达数倍，而且影响 ATP分解反应和转换速率的ATP酶，其活性也以可育株最强，不育株较弱。

(三)蛋白质
研究证明不育系花药蛋白质的含量显著低于可育系，并发现不育系与其保持系之间，花药游离组蛋白也反映出深刻的差异。

(四)氨基酸含量
与花粉败育有密切关系的是脯氨酸。

它作为一种氨基酸的贮存形态同碳水化合物相互配合，具有提供营养，促进花粉发育、发芽和花粉管伸长的作用，脯氨酸含量降低将导致糖代谢受阻和其他氨基酸含量的降低，从而使植株营养失调，以致雄性败育。

(五)酶的活性
第一种酶类，过氧化物酶的活性，以不育系最高，保持系次之，恢复系较弱，并且随着花粉成熟度的增长，不育系过氧化物酶的活性逐渐增高，保持系和恢复系逐渐降低；
第二种酶类有碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、ATP酶、葡萄糖—1—磷酸酶和葡萄糖—6—磷酸酶等，它们的活性恰恰相反，恢复系最强，保持系次之，不育系最弱；
第三种是细胞色素氧化酶、琥珀酸去氢酶，其活性以保持系最强，恢复系次之，不育系最弱。

(六)内源激素
雄性不育与内源激素中的吲哚乙酸(IAA)关系最为密切。

IAA在植物生长发育过程中是一种激活剂，它在调节植物基因转录和酶活性方面有重要作用，认为雄性不育的起因在于不育花药的IAA库受有关氧化酶的破坏而亏损，而IAA的亏损必然带来花药代谢及小孢子发育异常，从而导致花粉不育。

第三节核质互作雄性不育杂种品种的选育
1.质核互作雄性不育是通过三系法来利用杂种优势的，这是目前各种作物利用杂种优势的主要途径。

2.质核互作雄性不育杂种品种又称三系杂交种，它的选育包括两个阶段，第一阶段是三系选育，也就是选育不育系、保持系和恢复系用来作为配制杂交种的亲本（属纯合体育种范畴，采用纯合体育种的各种方法。

）。

第二阶段是杂交种的选配，也就是选用不育系和恢复系作亲本配制成杂种进行观察比较，根据生产需要确定最佳杂种品种及其亲本组合（它的选配主要是依据杂种优势形成的规律进行的）。

一、不育系和保持系选育
(一)胞质雄性不育材料的获得
1. 主要途径是远缘杂交，远缘杂交在这里是泛指分类上、进化上、地理分布上，其后代能不能获得胞质雄性不育材料，主要可以通过正反交来判断。

凡正交杂种与反交杂种在育性上差异越大的，则越有可能获得雄性不育材料。

2.但通过自然不育株的转育利用，也有可能获得胞质不育材料。

但自然界寻找的不育株或通过人工诱变产生的不育株除个别外，一般都是核不育的。

(二)不育系和保持系选育的方法
胞质雄性不育系是通过亲本间核置换杂交完成的 (图11-2)。

不育系选育的方法主要有：
1．远缘杂交核置换不同物种或类型，由于亲缘关系较远，遗传差异较大，质核之间会有一定分化，杂交后代常常会产生不育株，将此不育株作母本与原父本或类似品种回交，后代若能保持不育，则表示此乃质核互作产生的不育，继续回交多代，就可育成不育系和保持系。

现将水稻二九矮不育系选育过程示于图11-3。

2．回交转育在有不育系或不育材料的基础上，为了丰富不育系的类型，可用回交转育的方法选育同质异核的新不育系。

3．人工制保利用大田发现的不育株或人工诱变获得的不育株，可以通过杂交、顶交、自交、测交进行人工制保。

（1）步骤：把不育的核基因导入可育的细胞质里以制成具有N(rr)基因型的保持系(图11-4)：①杂交的目的是把显性可育基因R引入不育株使杂种恢复可育；②顶交的目的是把杂种隐性不育基因r引入可育胞质；③自交的目的是使可育细胞质中杂合的隐性不育基因分离纯合成为可育的N(rr)；④测交的目的是使可育的N(rr)从其他可育表现型中鉴别出来。

(2)条件：人工制保能否成功，关键有二点：①一是不育株属质核互作型的，②二是可育品种的细胞质具有可育基因N，否则就不能成功。

(3)判别的方法：在人工制保进行到第三步即顶交杂种通过①自交后所种植的群体是不是全部可育，则表示人工制保可以获得N(rr)基因型的保持系，再进一步进行核置换可以育成稳定整齐的不育系和保持系。

②出现部分不育株的原因是核不育杂合基因(Msms)的分离或是不育胞质杂合基因S(Rr)分离所致，这预示人工制保将失败。

(三)不育系和保持系的具体要求
1.不育系：雄性不育系必须在大群体下通过鉴定，并达到四点基本要求：第一，不育性稳定彻底，不育度和不育率达100％，自交不结实；第二，不育性能够稳定遗传，不因环境变化和多代回交而改变；第三，群体的农艺性状整齐一致，与它的保持系相似；第四，雌性器官发育正常，能接受可育花粉而正常结实。

在生产上具有应用价值的优良不育系，除上述四点基本要求外，还要具有：①配合力好，具有高产潜力，优良性状多，不良性状少；②恢保面广，可恢复性好；③具有良好的花器构造和开花习性，异交率高；④品质好，能配出商品价值和经济效益均高的杂种品种；⑤抗性好，在抗逆性和抗病性方面均有较好表现；⑥细胞质不具严重弊病。

2.保持系：是不育系的同核异质体，在相当大的程度上可以说有什么样的保持系就会有什么样的不育系，上述①对优良不育系的种种要求，实际上也是对保持系的要求，在选育工作中应该②先按要求选育保持系然后再通过保持系传递给不育系。

二、恢复系的选育
(一)恢复基因的发掘
胞质雄性不育的恢复是由恢复基因控制的，恢复基因是与不育基因等位的显性可育基因。

来源有三：①从提供不育细胞质的母本品种中提取。

细胞质里存在着不育基因的品种，其核中一定存在着可育基因，因为只有这样才能保证该品种自身的正常繁殖，当用这一品种做母本利用其不育细胞质育成不育系后，也可以通过杂交等方法从其细胞核中将可育基因提取出来育成恢复系；②从提供不育细胞质的近缘种中测筛，恢复基因的存在和不育胞质的分布频率有关，在不育胞质分布频率较高的类似品种中进行测交筛选，就可能发现较多的恢复基因；③恢复基因是通过亲缘传递重组的，凡用恢复品种作亲本衍生出的各种后代，都有可能成为恢复基因的新供体。

雄性不育的恢复是以杂种一代的花粉育性和结实率为衡量依据的，有恢复谱(restore rpedigree) 和恢复力(restoring ability)的差异。

恢复谱体现在广谱性和专一性方面，即有些恢复系能恢复多种不同类型的不育系，但有些恢复系只能恢复一种不育系，根据杂种结实的程度可以判断出恢复系的恢复力有强弱之分，凡杂种结实率很高而且各种条件下都很稳定，这证明恢复力很强，如果杂种结实率很低或不稳定，则表明恢复力弱。

(二)恢复系选育的方法
恢复系选育一般采用测交筛选、杂交和回交转育等方法。

1．测交筛选法测交筛选就是利用现有常规品种(系)与不育系进行测交，从中筛选出恢复力强，农艺性状、杂种优势都达到目标要求的品种(系)成为恢复系，这是一种最简单而且效果很好的方法，因为它直接利用了常规育种的新成果，各种作物都有许多恢复系是这样测筛出来的。

测交筛选法分初测和复测两步
2．杂交选育法杂交选育的方法是目前恢复系选育的主要方法。

杂交选育法的基本要点是，按照一般杂交育种的程序，选择适宜的亲本进行杂交，从杂种一代起就根据育种目标和恢复性，进行多代单株选择，在主要性状基本稳定时就用不育系进行边测边选，选出恢复力强、配合力高和性状优良的新恢复系，按照选用亲本的性质可以分为以下几种：
(1) 恢×恢。

恢恢杂交可以使恢复基因得到累加，把恢复力进一步提高，同时可以将恢复基因和优良性状结合到一起，从而选出恢复力强和优良性状多的新恢复系。

(2) 恢×保。

用恢保杂交选育恢复系主要是为了改良恢复系的农艺性状，或是向保持品种引入恢复基因解决恢复系缺乏的问题。

(3)不×恢。

这里主要指用不育系配制的杂种后代也可以选出恢复系，因为这种恢复系的细胞质与不育系相同，又称同质恢复系，同质恢复系具有不育细胞质，其本身的结实高低是反映恢复力强弱的重要标志，选育时要特别注意。

3．回交转育法回交转育法又称定向转育法，对一些非常优秀的品种，能配出高产优质的杂种，但由于它的恢复性不好而不能作为恢复系利用，这样可以通过回交转育法将其育成一个理想的恢复系。

具体方法是，选一个强恢复系与该品种杂交，以后用该品种连续回交，当入选单株完全与该品种同型后，可自交二代，让其纯合，就育成了遗传背景与该品种一样的新恢复系。

回交转育法还可以将不育系转育成恢复系，具体方法是先把不育系与任一恢复系杂交，从杂种中选恢复力强的单株做父本，再与不育系回交，连续回交4～5代后，自交2次即可育成。

用甲代表不育系，上述转育方法可用下式表示：
甲×<甲×{甲×甲×(甲×任一恢复系)}}→自交2次→甲恢复系
4．人工诱变法用物理或化学诱变的方法也可以选育出新恢复系。

用于诱变的材料有二类：一类是用没有恢复基因的优良品种进行诱变，筛选出具有恢复基因的个体；另一类是用现有恢复系通过诱变改良其个别缺点。

(三)优良恢复系的选育标准
恢复系必须具备三个基本条件：①恢复系是一个群体整齐性状一致结实正常的纯系；②它能使不育系的不育性完全恢复正常（恢复能力彻底）；③它的恢复性不因世代的增加或环境的改变而变化(恢复能力稳定)。

还必须具备以下优良特性：①恢复力强，所配的杂种开花散粉正常结实率达到或超过常规推广种，并受环境影响小，也不因更换同质不育系而影响恢复力。

②配合力好，具有高产潜力，优良性状多，缺点容易被克服，能配出理想的强优组合。

③遗传基础丰富，能与不育系保持有较大的遗传距离。

④株高稍高于不育系，花时较长，。