苎麻雄性不育的遗传机理及应用研究

论文摘要

苎麻（Boehmeria mvea）,又称“中国草”,是我国特有的纤维作物。苎麻雄性不育从上世纪60年代发现至今,已引起了苎麻育种工作者和相关研究者的高度重视。由于对苎麻雄性不育的遗传机制尚不清楚,限制了在育种上利用。因此,确有必要进行深入系统的研究,从而促进苎麻杂交优势的研究和应用。本文采用经典数量遗传、细胞遗传研究方法和现代分子生物学技术手段,通过对苎麻雄性不育的遗传特点、生理生化基础及细胞学特征、雄性不育相关基因的克隆、雄性不育分子标记的建立和杂种优势的利用等方面的研究,对苎麻雄性不育的遗传机理有了较为全面的认识,为利用苎麻雄性不育进行杂交育种奠定了理论基础,指明了合理的应用途径。获得的主要研究结果如下:1.苎麻雄性不育表型鉴定通过对苎麻雄性不育及恢复系表型的比较观察,结果表明,相对于正常可育植株,雄性不育主要表现为雌花发育正常,而雄蕾瘦小,不开裂,花药干瘪,内容物很少,无花粉散出;I2-KI染色无颜色变化,雌花开放时雄蕾逐渐枯萎脱落。2.苎麻雄性不育的遗传分析对雄性不育系C26为母本、恢复系B8为父本组配的六个杂交组合的后代植株不育性状分离情况进行调查和分析,表明苎麻雄性不育系C26的育性受一对隐性核基因和细胞质基因共同控制,属于细胞质—核基因互作不育类型,基因型为T（rr）。恢复系B8的育性受一对杂合基因控制,且细胞质与C26不同,基因型为F（Rr）。3.苎麻雄性不育物质代谢通过对苎麻雄性不育系和恢复系代谢产物分析后发现,可溶性糖含量在相同的发育阶段,不育系均高于其恢复系,这种差异在大蕾时期最大,不育系C26、C4分别是其恢复系的1.91和2.59倍。淀粉含量随着花蕾发育,不育系无明显变化,而恢复系则不断积累,中蕾时期恢复系B16含量比不育系C4高72.8%,大蕾时期恢复系B8比不育系C26高79.6%。可溶性蛋白质含量随着花蕾发育,不育系和恢复系均逐渐下降,但在材料间表现不一致,不育系C26低于其恢复系B8,而不育系C4则高于其恢复系B16。游离脯氨酸含量的变化,在不育系与恢复系F1花蕾中可育株含量远高于不育株。4.苎麻雄性不育同工酶谱分析通过对苎麻雄性不育系过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）同工酶分析,POD电泳分析未发现雄性不育的特征谱带,但同工酶谱恢复系强于不育系,尤其是迁移率为0.59的条带在各时期均表现如此。SOD电泳分析仅在功能叶中检测到雄性不育系与恢复系在带的强弱上的差异,同样表现恢复系强于不育系,但在雄蕾发育的各时期均无酶带显示。在功能叶、幼蕾、中蕾和大蕾时期,SOD和POD活性均表现恢复系均强于不育系。5.苎麻雄性不育发生时期分析通过对苎麻雄性不育系和恢复系的石蜡切片分析,结果显示,雄性不育发生在从造孢细胞到四分体形成的各个阶段,不同的雄性不育系发生不育的时期和败育的原因有所不同。不育系C4主要败育原因为无孢原细胞分化,在发育早期即彻底败育。不育系C26主要败育时期为减数分裂期,败育形式主要为绒毡层巨大化,向内挤压小孢子母细胞,使其不能正常生长发育进入减数分裂,或到后期绒毡层逐渐解体,小孢子母细胞没有进入减数分裂,最终解体。此外还观察到维管束急剧退化现象。6.苎麻NAD7基因片段的克隆与分析通过NAD7保守序列设计的引物,应用RT-PCR方法从苎麻雄性不育系C4中克隆了NAD7的cDNA片段,其长度为969 bp,编码322个氨基酸。序列比对表明该cDNA序列及推测的氨基酸序列与拟南芥、油菜有98%的同源性。聚类分析显示,苎麻NAD7基因的进化在植物中处于很古老的地位。7.苎麻品种（系）与亲本间的遗传关系从100条ISSR引物中筛选出21条引物,对8份四川苎麻品种（系）及其亲本的遗传关系进行了分析,结果表明,21条引物在8份材料中共扩增出86条带,平均每条引物扩增4.1条带,其中多态性位点71个,各引物扩增出的位点数3～8个,平均可以检测到3.4个多态性位点。聚类分析结果表明,供试品种与其母本遗传距离较远表现特有的偏父本遗传现象。8.苎麻雄性不育特有分子标记的建立用ISSR引物U835筛选到1个雄性不育特有的分子标记,对该标记进行克隆测序表明其长度为658bp,并将此标记转化成了稳定的SCAR标记。利用此标记,对强优势组合川苎8号自交群体进行验证,结果显示该标记与雄性不育基因的重组率为3.3%,可用于苎麻雄性不育分子标记辅助育种。9.苎麻雄性不育系杂种优势利用研究利用雄性不育材料,进行了杂交组合的测配,对杂交组合的杂种优势、分离变异进行了分析,结果表明苎麻的杂种优势十分显著,强优势主要表现在株高、茎粗及有效株率等方面,为苎麻雄性不育杂种优势的利用提供了科学依据,丰富了苎麻育种理论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 植物雄性不育研究进展（文献综述）
• 1.1.植物雄性不育的特征
• 1.2.植物雄性不育的类型
• 1.2.1.核质互作雄性不育
• 1.2.2.细胞核雄性（GMS）不育
• 1.2.3.植物雄性不育分类的新发展
• 1.3.植物雄性不育获得的途径
• 1.4.植物雄性不育的生理生化基础
• 1.4.1.物质及能量代谢
• 1.4.2.酶活性
• 1.4.3.植物生长物质
• 1.4.3.1.生长素类
• 1.4.3.2.细胞分裂素类
• 1.4.3.3.赤霉素类和乙烯
• 1.4.3.4.脱落酸（ABA）
• 1.4.3.5.茉莉酸
• 1.4.3.6.碳水化合物
• 1.4.3.7.类黄酮
• 2+/CaM信使'>1.4.4.Ca²⁺/CaM信使
• 1.5.植物雄性不育的遗传机制
• 1.5.1.核质互作雄性不育
• 1.5.1.1.经典遗传学研究
• 1.5.1.2.分子机制研究
• 1.5.2.细胞核雄性不育
• 1.5.2.1.经典遗传学研究
• 1.5.2.2.GMS不育基因的定位和分离
• 1.6.植物雄性不育基因研究进展
• 1.6.1.绒毡层与细胞核雄性不育
• 1.6.2.减数分裂与细胞核雄性不育
• 1.6.3.雄性不育基因表达和环境条件关系
• 1.7.植物雄性核不育基因遗传及定位
• 1.7.1 植物雄性核不育基因遗传
• 1.7.2 基因定位方法
• 1.7.2.1.质量性状的基因定位
• 1.7.2.2.数量性状基因定位
• 1.8 植物雄性不育在作物育种中的利用
• 1.8.1.作物隐性核不育的遗传和应用
• 1.8.2.作物显性核不育的遗传和应用
• 1.8.3.核—质互作雄性不育的遗传和应用
• 1.9.苎麻雄性不育的研究与利用
• 第二章 苎麻雄性不育的遗传分析
• 2.1.前言
• 2.2.实验原理与材料
• 2.2.1.设计原理
• 2.2.2 试验材料及育性调查对象
• 2.3.结果与分析
• 第三章 苎麻雄性不育的生理生化基础及细胞学特征研究
• 3.1.前言
• 3.2.材料与方法
• 3.2.1.材料
• 3.2.2.方法
• 3.2.2.1.花器观察鉴定
• 3.2.2.2.物质含量测定
• 3.2.2.3.POD和SOD同工酶分析
• 3.2.2.4.雄蕾解剖学观察（石蜡切片）
• 3.3.结果与分析
• 3.3.1.苎麻雄花花器观察结果
• 3.3.2.苎麻雄性不育系与其恢复系物质含量的比较
• 3.3.2.1.可溶性糖含量比较
• 3.3.2.2.淀粉含量比较
• 3.3.2.3.可溶性蛋白质含量比较
• 3.3.2.4.游离脯氨酸含量比较
• 3.3.3.苎麻雄性不育系与其恢复系POD和SOD同工酶比较
• 3.3.3.1.POD同工酶酶谱比较
• 3.3.3.2.SOD同工酶酶谱比较
• 3.3.3.3.POD活性比较
• 3.3.3.4.SOD活性比较
• 3.3.4.苎麻雄性不育系及其恢复系花药发育观察
• 3.3.4.1.恢复系花药发育过程
• 3.3.4.2.不育系花药发育过程
• 3.4.讨论
• 3.4.1.苎麻雄性不育特性与物质代谢的关系
• 3.4.2.苎麻雄性不育特性与POD、SOD同工酶的关系
• 3.4.3.苎麻雄性不育在花药发育过程中的变化
• 3.4.3.1.苎麻雄性不育小孢子败育时期
• 3.4.3.2.苎麻雄性不育的细胞学败育现象
• 第四章 苎麻NAD7基因片段的克隆与分析
• 4.1.前言
• 4.2.材料与方法
• 4.2.1.材料
• 4.2.2.总RNA提取
• 4.2.3.RT-PCR引物序列
• 4.2.4.RT-PCR
• 4.2.5.RT-PCR扩增产物的回收、克隆和测序
• 4.2.6.序列同源性比对和系统进化树构建
• 4.3.结果与分析
• 4.3.1.总RNA提取
• 4.3.2.RT-PCR扩增
• 4.3.3.RT-PCR扩增产物克隆与序列分析
• 4.3.4.NAD7基因的进化分析
• 4.4.讨论
• 第五章 用ISSR分析四川苎麻品种（系）与亲本间的遗传关系及雄性不育分子标记的建立
• 5.1.前言
• 5.2.材料与方法
• 5.2.1.试验材料
• 5.2.2.ISSR引物筛选及检测
• 5.2.3.条带统计分析方法
• 5.2.4.育性调查与连锁分析
• 5.2.5.特异ISSR标记的克隆与序列测定
• 5.3.结果与分析
• 5.3.1.引物筛选与ISSR标记的多态性
• 5.3.2.供试材料间的遗传距离
• 5.3.3.聚类分析
• 5.3.4.育性调查与分子标记
• 5.3.5.序列测定与SCAR标记的建立
• 5.4.讨论
• 第六章 苎麻雄性不育杂种优势利用
• 6.1.前言
• 6.2.材料与方法
• 6.3.结果与分析
• 1超亲优势'>6.3.1.杂种F₁超亲优势
• 1原麻产量和纤维细度超标优势'>6.3.2.杂种F₁原麻产量和纤维细度超标优势
• 6.3.3.杂交组合性状间相关分析
• 6.3.4.苎麻雄性不育杂交组合的分离变异
• 6.3.4.1 严重主要构成因子的分离变异
• 6.3.4.2 原麻产量的分离变异
• 6.3.4.3 纤维细度的分离变异
• 6.4 讨论
• 第七章 论文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表及待发表的论文