作物育种学刘裕强第八章 雄性不育及其杂种品种的选育1.ppt

第八章 雄性不育及其杂种品种的选育,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。在植物界普遍存在。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，为杂种优势利用提供了最重要的途径。,特别是自花授粉作物和常异花授粉作物的杂种优势利用，更是把雄性不育作为最重要的途径。当杂交母本获得了雄性不育性，就可以免去大面积制种时的去雄劳动，降低生产成本，提高杂种种子质量，带来更大的经济效益。,雄性不育的生物学特性雄性不育的遗传核质互作型雄性不育杂种品种的选育核雄性不育杂种品种的选育杂交种制种技术,雄性不育可分为能遗传的和非遗传的。,1、雄性不育形态差异 雄性不育植株在外部形态上与同品种的正常株极为相似，但在开花以后，不育株和可育株可以从雄花的形态上加以辨别。,正常植株花药黄色肥大饱满很多成熟花粉适宜条件下充分裂开将花粉散出,不育株花药色浅瘦小干瘪水渍状无花粉或无正常花粉花药不开裂无花粉散出,棉花保持系,棉花不育系,第一节 雄性不育的生物学特性,正常植株花粉粒充实饱满形状大小一致数量多、散粉明显,不育株花粉粒无内容物（淀粉粒）畸形皱缩不规则不能散粉,水稻部分雄性不育的花粉粒形状（碘染色）,小麦雄性不育株与正常植株比较,猜一猜！,可 育 的,不 可 育,包含有许多不同的形式：a.雌雄异株植物群体中完全缺乏雄性个体或高度缺陷的雄性个体；b.雌雄同株植物中雄性器官萎缩、畸形或消失；c.不能形成正常的小孢子发生组织；d.小孢子发生异常，形成不完善的、不能存活的、畸形的或败育的花粉；e.花粉不能成熟或无萌发能力；f.形成有生活力的花粉但花药不开裂。,图1，A，C，E，G为野生型；B，D，F，H为突变体。株高和抽穗期等野生型和突变体没有差异。但是，在抽穗期，突变体的颖壳不能正常开裂。,图2，a-d,i-l为野生型的花药发育，e-h,m-p为突变体的花药发育。突变体的花药在最后时期不能正常开裂散粉。,c,e,f,d,a,b,图4：野生型和突变体的花粉育性。a,c,e为野生型的花粉发育，b,d,f为突变体花粉的发育。野生型和突变体的花粉在I-IK染色正常，DAPI染色核都为正常；在固体培养基上，突变体的花粉粒不能正常萌发。,花粉管在柱头上的萌发情况以及花粉管在胚囊中的生长情况,a,野生型自交萌发生长；b,突变体花粉自交；c,突变体受野生型的花粉；d，突变体授自身花粉,e-h是相应胚囊受精的情况。结果表明突变体的胚囊是正常的。,a,c,d,e,f,g,b,h,除了以上花药和花粉的差异外，还有一些其他的异常形式：如花丝畸形，花药退化。有一些不育基因与其他基因连锁或一因多效，使一些明显的农艺性状与不育性并存，这一特点有利不育植株的鉴别。如水稻不育株在抽穗后明显比正常株（保持系）矮，抽穗迟、持续时间长,表现有严重的剑叶鞘包裹穗子的现象。,2、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。具体见P171,花药败育特征：多种多样败育时期：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。从形态上看分三种类型：无花粉型、单核败育型、双核败育型花粉败育是一个连续过程，与细胞质和细胞核都有关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。,D,A 典败B 圆败C 染败D 正常,花药壁的异常结构：绒毡层细胞的异常现象：过度生长、肥大、或形成绒毡层周缘质团、多核原生质团或不解体液泡化、或迅速解体和消失，或与花粉粒一同退化消失中间层细胞异常现象：沿花药径向的厚度增大、液泡化，将绒毡层推向中央花药壁结构异常现象：花粉囊发育不良，形成特大药室、退化的小药室或花粉壁下陷皱缩或药室合并花药不开裂、雄蕊花丝和药隔维管束异常等,Tapetum and PMC are directly related with pollen formation,Tetrad,Tapetum,Middle Layer,Endothecium,Epidermal Cell,绒毡层是花药壁的最内层细胞，直接与花药药室中的花粉母细胞及以后发育中的花粉接触，是将孢子体组织的物质输往配子体的最后中转站。,3.雄性不育的生理生化特性：物质运输和代谢：异常，代谢障碍，得不到足够营养能量代谢：ATP含量低，ATP酶活性低蛋白质：含量低，特别是游离的组蛋白含量明显低，某些组分可能消失，暗示其参与了各种基因的表达阻抑过程氨基酸含量：游离脯氨酸含量明显降低，导致糖代谢受阻及其他氨基酸含量降低，导致营养失调、败育酶的活性：变化，过氧化物酶活性高，各种磷酸酶、ATP酶、细胞色素氧化酶活性低内源激素：IAA亏损,雄性不育类型,一.核质互作雄性不育性：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。简称胞质不育（CMS）。当胞质不育基因S存在时，核内必须有对应的隐性不育基因rr，个体才表现不育。1.三系类型及遗传*不育类型：S（msms）；或写成 S（rr）*可育类型：S(MsMs)；S(Msms)；或写成 S(RR)；S(Rr)N(MsMs)；N(Msms)；或写成 N(RR)；N(Rr)N(msms)；或写成N(rr),第二节 雄性不育的遗传,质核互作不育,核不育,三系的概念,雄性不育系：具有雄性不育特征 的品种或自交系。S（msms）或写成 S（rr）雄性不育保持系：用来给不育系授粉使后代保持雄性不育特性的类型。N(msms)或写成 N（rr）雄性不育恢复系：具有恢复不育系育性能力的类型。S(MsMs)；N(MsMs)或写成 S（RR）、N（RR）,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。如果细胞质基因是正常可育基因N，即使核基因是rr，个体仍然正常可育；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。,质核互作的6种遗传结构,利用三系制种方法,保持系N（rr）,X,不育系S（rr）,不育系S（rr）,X,恢复系N（RR）S（RR）,恢复系N（RR）S（RR）,杂交种S（Rr）,繁殖区1,制种区2,母本,母本,父本,父本,保持系N（rr）,不育系S（rr）,实现不育系、保持系、恢复系配套，将杂种优势应用于生产,2.多种质核基因对应的遗传,同一植物中有多种质核不育类型。由于胞质不育基因和核基因的来源和性质不同，在表型特征和恢复性能往往表现明显的差异。,例如：玉米中有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。用不同的自交系进行测定，发现有些自交系对三组都能恢复，有些只能恢复其中一组或二组，有的全部不能恢复。这说明每种不育类型都需要某一特定的恢复基因恢复育性恢复基因有专效性和对应性。,细胞质中存在多个可育基因N1,N2,N3.Nn,它们不育性的变异对应为：N1-S1,N2-S2,N3-S3,Nn-Sn,在核内染色体上相对的不育基因分别为：r1,r2,r3.rn;其可育基因则相对应为r1-R1,r2-R2,r3-R3,rn-Rn,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。,根据以上的遗传特性，不育系的搜寻（通常远缘杂交）和选育实践中，经过杂交和回交核置换，父母本进行正反交，最后只可能出现四种结果。细胞质基因是由母本提供的，细胞核基因由父本决定 表11-2正反交亲本及后代的基因型和育性表现,每种不育类型都需要某一特定的恢复基因恢复育性，即恢复基因有专效性和对应性。,3.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（sporophyte sterility）和配子体不育（gametophyte sterility）两种类型。1).孢子体不育 是指花粉育性的表现由孢子体（母体植株）的基因型控制，与配子体（花粉）本身的基因无关。花粉败育发生在孢子体阶段。水稻野败型、矮败型和印水型，玉米T型不育系就属于这一类型。不育系与恢复系配制的F1杂交种 S（R r）产生两种不同基因的花粉S（R）和 S（r）都是可育花粉，但F2出现育性分离。,S（R r）S（R R）+S（R r）+S（r r）花粉可育 可育 可育 不育 结实正常 结实正常 结实正常 不结实 F1 F2 育性分离,2)配子体不育 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，因此配子体基因不育时花粉表现不育，配子体基因可育时花粉表现正常。水稻包台型（BT），玉米S型均属此一类型。不育系与恢复系杂交所获得的杂种一代 S(Rr)，花粉有可育S(R)和不育S(r)，各占一半，为半不育，结实正常。不育雄配子不能参与受精传给下一代，F2结实全部正常。S（R r）S（R R）+S（R r）花粉半不育 可育 半不育 结实正常 结实正常 F1 F2,4.主基因不育和多基因不育 质核互作不育既有主基因(major gene)控制的，也有多基因(polygene)控制的。主基因不育是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。恢保关系简单，用于杂种优势方便。如油菜波里马和陕2A不育系就属于此类。多基因不育性是指由两对以上的核基因与对应的胞质基因共同决定的。恢复基因往往有累加效果，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。小麦T型不育系就属于这种类型。,含义：它的不育是受细胞核雄性不育基因控制，与细胞质无关，其雄性器官没有生殖能力，甚至没有花粉，但其雌性器官一般是正常的，并可通过异交而结实。它即找不到保持系，恢复品种很多。类型：单隐性基因、双隐性基因、单显性基因和双显性基因控制的不育、光温敏不育、基因工程不育,二、细胞核雄性不育性及其遗传：,1)隐性核雄性不育的遗传,msms（不育）MsMs（可育）Msms（可育：不育1:1）1MsMs:2Msms:1msms（可育：不育3:1）,msms（不育）Msms（可育）msms Msms（可育：不育1:1）,雄性不育受细胞核基因控制，与细胞质没有关系，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。,2)显性核雄性不育的遗传,Msms(不育)msms（可育）Msms msms（不育：可育1:1）,MsMs(不育)msms（可育）Msms（不育）1MSMS 2Msms 1msms（不育：可育3:1）,这种单显性基因控制的核不育材料在自花授粉作物中可作为轮回选择的异交工具，一般不用于杂种优势利用,核基因互作控制,不育性由两对基因互作控制，一对为显性不育基因Ms，另一对为显性抑制基因I，I对Ms的表达起抑制作用。MsMsii、Msmsii为不育株、Ms_I_、msmsIi、msmsii为可育株MsMsiiMsMsIi1MsMsii：1MsMsIi 50的不育以该“两用系”的不育株MsMsii为母本与msmsii基因型的可育株杂交，收获的种子即为100不育株率，雄性不育系，可用作一代杂种制种的母本。MsMsiimsmsiiMsmsii,3)新型核基因控制的雄性不育性,复等位基因控制,Msf为显性恢复基因，Ms为显性不育基因，ms为隐性可育基因。即它们是三个复等位基因，三者的显隐关系是：MsfMsmsMsMs、Msms为不育株、MsfMsf、MsfMs、Msfms、msms为可育株。甲型两用系MsMsMsfMs 1MsMs：1MsfMs 50的不育乙型两用系Msmsmsms 1Msms：1msms 50的不育以上述两用系的不育株与msms基因型的可育株交配，可以得到100不育株率的雄性不育系。MsMsmsms Msms,二十世纪七十年代以来，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。特点 1、类型：诱导育性转换的主导因子是光和温 光敏型：光照长度是决定育性转换的主要因子，温度只起协调作用 包括长光不育短光可育和短光不育长光可育 温敏型：幼穗发育敏感期的温度决定育性，光照长度不起作用 包括高温不育低温可育和高温可育低温不育 光温互作型：难以分清楚光、温的主次作用。,4、环境诱导核雄性不育的遗传,509S不育性稳定,2008年种植3000多株，不育株率100%，花粉不育度100%,高温不育低温可育,2、光诱导敏感期：二次枝梗原基分化至花粉母细胞形成期。光敏感的部位，光受体：光敏色素。温诱导敏感时期: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。温敏感部位:生长点的分生细胞。3、育性的转换：不育的光温满足时，植株的不育率和不育度都可达到100%。可育的光温满足时，植株的可育率可达到100%。但育性转换有一个过渡光温条件。光温诱导效应表现出局限性，相互间是不能传导的，因此不同穗子由于发育进程差异，表现育性差异。问题：光敏与温敏型雄性不育，哪种在杂种优势上更具利用价值？,光温诱导雄性不育的遗传1、细胞核隐性基因控制，无细胞质互作效应，属孢子体不育类型；问题：如出现光温诱导的显性核不育是否可以用于杂种优势？如出现光温诱导的配子体不育是否可以用于杂种优势？2、有的受 1对或2对 主效基因控制；3、有微效基因的修饰作用存在；如水稻不同的光温敏核不育基因经等位性分析，有些等位有些不等位，至少涉及到5个以上不同位点的基因。,第三节 核质互作雄性不育杂交种品种的选育,三系法是目前各种作物利用杂种优势的主要途径，即利用质核互作雄性不育杂种品种（三系杂交种）。不育系的不育度要达100%，且不育性稳定；不育性易于恢复，不育细胞质没不良影响；恢复系的恢复力要高，恢复性要稳定，配合力也要高。选育包括两个阶段：三系（亲本）选育：不育系、保持系和恢复系选育 亲本高度纯合、而杂种品种的遗传性是高度杂合的。杂交种选配：不育系和恢复系配制杂种，观察比较，根据生产需要确定最佳杂种品种及其亲本组合（测配）。,（一）胞质雄性不育材料的获得 获得质核互作雄性不育材料是选育不育系的前提，其途径主要是1、自然不育株的转育 也可能获得胞质不育材料 寻找可育细胞质，制成保持系。如水稻野败型不育系,一、不育系和保持系选育,2、远缘杂交 亲缘关系较远的种或品种之间的杂交，其后代能不能获得胞质雄性不育材料，主要 通过正反交来判断（可育 可育）。这个过程实质上就是不育细胞质与对应的非恢复（不育）基因的匹配过程。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。这里所指的远缘杂交是指分类上、进化上、地理分布上、亲缘关系上较远的种或品种之间的杂交。,为什么远缘杂交容易找到质核互作雄性不育材料？当质不育基因与对应的核不育基因共同存在于一个自然体系时，必然导致物种的不育基因频率下降和消失。所以物种表现出质核协同进化（不育细胞质与核恢复基因相伴随）。不同的种或品种在长期自然进化中，形成了不同的遗传分化，两亲遗传差异越大（细胞质来源不同，存在一定的质核分化），相互杂交获得质核匹配的雄性不育的几率将会越高。哪些品种更容易找到不育细胞质？不育细胞质及其恢复基因大多存在进化程度低，倾向原始类型、物种起源中心的种或品种中，这些类型作母本更容易获得有利用价值的雄性不育。,（二）不育系和保持系选育的方法 1.远缘杂交核置换 将某不育株作母本与正常品种杂交、回交，后代若能保持稳定不育，表示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。,核置换示意图,核代换法(种间杂交或类型间）选育不育系,F1 马丁迈罗,BC1 马丁迈罗,BC2 马丁迈罗,BC3，4 马丁迈罗,不育,不育,不育,回交45代,原新一号 原新一号不育系 保持系,回交转育法培育不育系,3197A 马丁迈罗,连续回交选育不育系的过程，要选择性状像父本的不育单株作母本进行成对回交，在低世代回交的多株系小群体，逐渐到少株系大群体。母本 父本 野败 二九矮共19株，全不育占90%，高度不育占 F1 二九矮10%，性状不整齐，选像父本的回交共96株，全不育占97.9%，性状有 B1F1 二九矮分离，选像父本的回交共565株，全不育占99.5%，性状有 B2F1 二九矮分离，选像父本的回交（保持系）共5565株，不育性已稳定，性状已 B5F1整齐，完全像父本（不育系）水稻二九矮不育系选育过程,2.回交转育 在已有不育系或不育材料的基础上，为了丰富不育系的类型，改进不育系的农艺性状，可用回交转育的方法选育同质异核的新不育系。分测交和回交二步：测交（测保）：选择具有理想特性的一批品种（包括杂交选育过程中配合力高的亲本材料）作父本，分别与已有的不育系或不育材料杂交，测定它们对不育性的保持能力。回交：选择保持能力强的父本进行成对回交，并按不育系的要求通过连续回交加快稳定进程。（镜检、是否存在自交结实、表型选择）,不育系具体要求雄性不育系的四点基本要求：1）不育性稳定彻底；2）不育性能够稳定遗传；3）性状整齐一致，与它的保持系相似；4）雌性器官发育正常。具有应用价值的优良不育系，还要具有：1）配合力好；2）恢、保面广，可恢复性好；3）异交习性好（花时同步、张颖角度大、柱头大，外露率高，生活力强）4）品质好；5）抗性好；6）细胞质不具严重弊病。保持系 不育系的同核异质体，在选育工作中应该先按要求选育保持系然后再通过保持系传递给不育系。转不育与测配同步,3.人工制保当发现的不育株与正常品种杂交时，获得的杂种都是可育，说明这些品种都携带恢复基因，可以通过人工制保的方法获得保持系。人工制保就是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。人工制保条件：1、不育株属于质核互作型2、可育品种的细胞质具有可育基因N，否则不能得到保持系。手段：利用恢复基因（RR）作为不育株育性恢复的桥梁。,杂交 不育株S(rr)可育品种N(RR)或 S(RR).可育基因R引入不育株使杂种恢复可育 顶交(可育品种)N（RR）S（Rr）.隐性核不育基因r引入可育胞质 N（RR）N（Rr）自交.自交结果必须是全部可育 测交.S(rr)N(RR)S(rr)N(RR)S(rr)N(Rr)S(rr)N(rr).可育的N(rr)鉴别 S(Rr)S(Rr)S(Rr)S(rr)S(rr)可育 可育 可育 不育 不育 人工制造保持系示意图,（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：1、从提供不育细胞质的母本品种 S(RR)中提取；2、从提供不育细胞质的近缘种中测筛，可发现较多的恢复基因；3、恢复品种的衍生后代，可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，有恢复谱和恢复力的差异。恢复谱体现广谱性和专一性，恢复力有强弱之分，杂种结实率高、稳定则强，反之则弱。,二、恢复系的选育,（二）优良恢复系的选育标准 恢复系必须具备三个基本条件：1、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；3、恢复性稳定遗传，恢复性不因世代的增加或环境的改变而变化。优良恢复系还必须具备以下优良特性：1、恢复力强；2、配合力好；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，花粉量大，有利异交结实；5、品质好；6、抗性好。,（三）恢复系选育的方法1.测交筛选法（测恢）直接利用现有常规品种（系）与不育系直接进行测交，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。这是一种最简单经济而且效果好的方法，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筛选出来的，如高粱3197A的恢复系三尺三，水稻野生败型恢复系IR24等。,测交筛选法分为初测和复测两步,初测：将不同品种选单株与不育系成对杂交，凡杂种育性正常结实良好，其父本就是初测通过的恢复品种。初测组合多、即对数要多、每对群体小。复测：在初测合格基础上，鉴定恢复力、优势和纯合度。少组合、大群体 经过复测达到育种目标要求作为重点配组的恢复系,2.杂交选育法 恢复系选育的主要方法（基因重组，优良性状和恢复基因聚合）基本要点：按照一般杂交育种的程序，选适宜的亲本杂交，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（早代、中代、晚代），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 在恢源丰富时，恢复系选育的主要方法。恢复基因得到累加，把恢复力进一步提高，同时聚合其它优良性状。包括单交和多交。水稻恢复系品种与圭630杂交育成了恢复系明恢63等。,（2）恢保（保恢）恢复系缺乏时 改良恢复系缺乏的优良农艺性状时 恢保杂交可以是单交、复交、多交，如水稻BT型粳稻 不育系，在选育恢复系时采用了IR8与科情3号杂交然后再与京引35复交，最后育成了C57、C55等系列恢复系。用此法选恢复系注意早期恢复度恢复力的测定，防止微效恢复基因的稀释。,（3）不恢 当恢源缺乏时，也可以利用不育系配制的杂种后代选出恢复系，由于这种恢复系的细胞质与不育系相同，称同质恢复系S（RR）。孢子体不育 S（R r）S（R R）+S（R r）+S（r r）花粉可育 可育 可育 不育 结实正常 结实正常 结实正常 不结实 F1 F2 育性分离配子体不育 S（R r）S（R R）+S（R r）花粉半不育 可育 半不育 结实正常 结实正常 F1 F2可以免除早期测恢，但广泛应用将削弱杂种优势,3.回交转育法 又称定向转育法1）对一些恢复性不好或无恢复性而其它性状非常优秀的品种，通过此法将其育成一个理想的恢复系。做法：选一个强恢复系与该品种杂交，以后用该品种连续回交，但在回交过程中要边测边选，即选那些具有恢复基因而且又像该品种的单株做亲本再回交，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。,2）用同质恢复系S（RR）或三系杂交种 S（Rr）作母本与待转育的优秀品种杂交并回交育成恢复系。此法 可以免去回交过程中的测恢步骤。因为以不育胞质为基础，凡不具有恢复基因的单株将是不育的而淘汰。3）回交转育法还可以将不育系转育成恢复系。（甲不育系）甲自交2次甲恢复系 S（RR）（带有恢复基因的近等基因系）,4.人工诱变 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：现有恢复系，通过诱变，改良其个别缺点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,符合高产优质高效的方向，满足生产要求和市场需要，降低成本、提高经济效益。（一）杂种品种的亲本选配原则选配出优良的杂种品种，要具备三个条件：掌握数量较多、遗传丰富、性状各异的三系材料了解各个三系材料的遗传基础和组配规律探明杂种主要性状的传递和配合表现实践经验：选配父本时应遵循以下原则：1.选遗传差异大的亲本配组杂种优势的遗传基础？在一定范围内双亲遗传差异愈大杂种优势愈明显。,三、杂种品种的选配,2.选择产量高、配合力好的亲本配组高产亲本是杂种产量的基础在此基础上，应该挑选一般配合力高的亲本配组，筛选特殊配合力高的组合。3.选优良性状多并能互补的亲本配组 双亲应具有较多的优良性状和较广的适应性，通过杂交使优良性状在杂种中得到累加和加强，特别是杂种优势不明显的性状，及由多基因控制的数量性状，如熟期、品质性状和一些产量因素，杂种的表现多倾向于中间型，因此只有双亲的性状都优良才能配出符合育种目标的杂种。,4.选有利于异交的亲本配组 商品杂种品种的获得是通过异交完成的，选择有利于异交的亲本配组才能够提高种子产量，降低生产成本，获得更大的经济效益。有利于异交的特性主要是指：（1）母本的花器结构和开花习性有利异交授粉；（2）具有好的高产性状及潜力；（3）父本花期较长，花粉量大；（4）双亲生育期接近并以母本偏早为好；（5）父本较母本略高，以便扩大行比，增多母本株数。上述配组原则只是为了增加选配杂种的预见性获得一个好的育种效果而提出的，实际上所配制出的杂种必须在不同条件下进行多点多年试验，以及生产示范和栽培试验才能确定其丰产性、适应范围、利用价值和栽培方法。,（二）三系杂交种的生产利用 质核互作雄性不育的特点是能够获得三系，并通过三系法利用杂种优势。三系法配制杂种品种包括繁殖和制种两个过程，分别在不同的隔离区进行。繁殖田由不育系和保持系组成，主要目的是繁殖不育系种子，供下代繁殖和制种用。制种田由不育系和恢复系组成，主要目的是获得商品杂种种子供大田生产应用。,三系法杂种优势利用流程图,水稻杂交种制种田示意图两侧为父本，中间为母本，比例为 8-10:2 或 5-6:1,制种田不育系和恢复系前期生长情况,不育系抽穗时去杂、割叶、喷施赤霉素,不育系 恢复系,父本收获后检查遗留的父本或花期结束后直接割去父本,受细胞核不育基因控制的，与细胞质无关或者无法找到正常细胞质。核不育基因大多是隐性的，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。来源：自然突变产生不育株、理化诱变获得不育株。,第四节 核雄性不育杂交种品种的选育,1.隐性核不育系的选育 将适宜做不育系的品种进行诱变处理，在其后代中可以获得核不育株，核不育株经与原品种杂交，杂种表现可育，收其种子种成群体，单株间将会出现不育和可育分离，该群体自由授粉，在不育株上收种子，后代又呈现不育和可育分离，几代后分离比列将稳定为1:1。因是用原品种杂交衍生的后代，农艺性状整齐，很快就能育成核不育系。在已经具有核不育系的基础上，如果对其缺点进行改良或进行新核不育系的选育，一般可采用杂交及回交转育的方法，不过因有不同遗传背景的亲本介入，其后代需多次选择及自交纯合。,一、隐性核雄性不育的利用,一对基因rr RR Rr RR Rr rr不育 可育 可育 1：2：1二对隐性基因控制的核不育，F2的分离比例是15可育：1不育。,隐性核不育系杂交育种选育示意图,隐性核不育系的恢复系（育性正常品种）很广。杂种选配隐性核不育系(往往是杂合体)是一个农艺性状整齐、育性分离的群体，它可以一系两用，系内的可育株（杂合）给不育株授粉可繁殖种子保持不育性。问题：不育系用于制种必须开花前去除可育株。我国用洞A或它的衍生系已培育出10多个川杂系列的棉花杂种品种。,B(MsMs)AB(Msms)杂交种,A(Msms)A(msms)A(Msms)保持系+A(msms)不育系,2.隐性核不育系的生产利用,如果不育基因具有显性上位的恢复基因，可以用于杂种生产。遗传模式：Ms为显性不育基因，Mf为显性上位基因，能够抑制Ms基因不育性的表达，从而恢复可育。9种基因型、2种表现型不育基因型:MsMsmfmf Msmsmfmf可育基因型:MsMf、msmsMf一 和 msmsmfmf 三种其中纯合 MfMf基因的可育株可作为恢复系。,二、显性核雄性不育的遗传与利用,不育性受一对显性基因（MsMs）控制，但在自然界中通常以杂合基因型（Msms）形式存在。遗传：雄性不育株（Msms），与可育株（msms）杂交，后代1：1（可育：不育）分离。应用：自花授粉作物进行轮回选择的异交工具。,利用二对显性基因控制的雄性不育系生产杂交种有二个途径：两系制种法：由于核不育系内有不育株和可育株两种，采用系内同胞交，不育株上收的种子，后代1：1分离，故在制种时必须在开花前将母本内约50%的可育株拔去。,纯合两用系保持模式 Ms Ms rf rf Ms Ms Rf rf 不育株 可育株 Ms Ms rf rf Ms Ms Rf rf不育株（50%）可育株（50%）纯合两型系中不育株育性恢复 Ms Ms rf rf RfRf（不育系）（恢复系）Ms Rf rf F1(可育）,杂合两用系保持模式 Ms ms rf rf ms ms rf rf 不育株 可育株 Ms ms rf rf ms ms rf rf 不育株（50%）可育株（50%）杂合两型系中不育株育性恢复 Ms ms rf rf RfRf（不育系）（恢复系）Ms Rf rf F1（可育）,临保系,显性核不育“三系化”繁殖制种模式,“三系化”制种法：纯合型不育株MsMsmfmf与纯合型可育株msmsmfmf杂交，可以获得杂合型的全不育系（Msmsmfmf）这种不育系只能利用于制种而不能由msmsmfmf可育系继续繁殖，故称msmsmfmf可育系为临时保持系。这种显性核不育系已用于油菜、大白菜杂交种子的生产。,光温敏核不育杂种品种的选育（水稻为例）杂种品种的选育包括：核不育系的选育 杂种品种的选配 光温敏核不育系有两重性：不育条件下制种 可育条件下繁殖水稻光温敏核不育系为 长日高温不育：13-14小时日照、气温25度以上 短日低温可育：12小时日照、气温23-25度以下,三、环境诱导核雄性不育的利用,安农S-1温敏不育系的表型,安农S-1温敏不育系的不育敏感期,安农N 造孢期 花粉母细胞 减数分裂期 小孢子期,安农S-1,高温诱导安农S-1温敏不育系花粉母细胞液泡化,（一）、光温敏雄性不育系的选育（1）技术要求1）遗传稳定，性状一致2）育性转换明显，不育期间群体不育株率100%。花粉不育率或小花不育率99.5%以上，连续天数能满足制种要求。可育期间群体可育株率100%，自交结实率30%以上。3）异交习性好4）一般配合力高5）主要经济性状优良6）抗性好,（2）选育途径 杂交转育：通过杂交，将不育光温雄性不育基因转移到目标受体亲本，在后代群体中选择理想的雄性不育株。包括，单交、复交、回交。系统选育：从已育成的不育系或中间材料中选择变异的单株，育成新的不育系。诱变选育：组织培养：组织培养可以产生新的不育系，结合杂交转育进行花药培养加速后代纯合稳定。,光温敏雄性不育系的选育程序,（3）选育程序将杂交转育的或其他途径获得的一代种子进行种植，通过自交获得第二代。见下图,（二）光温敏雄性不育系的鉴定 光温敏不育系育成后，除按一般不育系要求鉴定其特征特性、整齐度、配合力、品质、抗性、异交率等外，还应针对其特点在育性转换特征、临界光温、光温敏属性、适用范围等方面进行鉴定。鉴定的方法可采用不同生态点的分期播种和人工气候箱的试验处理相结合。1.不同生态点的分期种植鉴定选择代表性的生态点：淮河、长江上中下游、华南、云贵高原各点分期播种试验目的：区分不育系在各地的不育期、育性转换期和可育期以及育性稳定性。考查指标：开花日期，花粉育性、自交结实率与光温条件等。,2.人工气候箱鉴定 在自然条件下夏季长日与高温重叠，秋季短日与低温重叠，日长与温度的效应难以分开，无法区分光敏不育系和温敏不育系。人工气候箱分解光温因子，明确不育系育性转换的光长效应，温度效应和光温互作效应。确定光温处理时期的依据：1）育性转换的光温敏感时期；2）营养生长期的光温条件对育性转换的影响；3）自然条件下引发可育的温度天数。人工气候箱鉴定与田间分期播种试验相同，结果互相印证。,（三）两系杂种品种的选配及利用 光温敏不育系恢源很广，正常品种都可以做恢复系，包括生产上应用的各种优良品种、各种质核互作雄性不育的恢复系和保持系以及最新育成品系等等几乎所有的品种（品系），配组非常自由。（如两优培九的育成 培矮64S/93-11）两系杂种品种的选配也应通过测交、产量比较的选拔程序进行。其亲本选配原则亦与三系配组原则相似。,光温敏核不育利用杂种优势的程序,光温诱导雄性不育在杂种优势利用的意义1、二系法利用杂种优势，开辟了杂种优势利用的又一条重要途径。2、免去不育系繁殖的异交过程，免去不育细胞质可能带来的负作用。3、恢复源广泛，配组自由。但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。尤其温敏性，由于环境温度的不确定性，杂交种制种存在一定的风险。,高不育系(high male sterile line)是指有少量自交结实的不育系，这种自交结实的种子能够使高不育特性得以遗传。制种时，植株上将有二类种子：自交结实种子，异交结实的杂种。问题？如何把这两类种子鉴别分开，一般可以借助于单基因的显隐性指示性状(marker character)来加以区别。1.高不育系的选育来源：远缘杂交，理化处理、自然突变等途径。选育：按选择育种、杂交育种程序种植和选择。区分环境导致不育。杂交导入隐性的标记性状，如棉花的芽黄和无腺体。高不育系要求：农艺性状整齐，遗传稳定，不育株率100%，不育度达90%以上，花时正常，柱头外露有利异交，丰产性好，配合力高，品质优，抗性好等不育系的一些要求。,四、高不育系的选育和利用,2.恢复系选育 具备显性标志性状，如水稻的紫叶片、紫叶枕，小麦的红色芽鞘，棉花的红叶，除此以外还要恢复力好配合力高，花期较长花粉量大，丰产性、品质、抗性均好。恢复系选育主要途径：一是选择具有显性标志性状的品种对其缺点进行改良；二是选优良品种导入显性标志性状。高不育系利用杂种优势有三个要点：一是高不育系的不育度越高经济效益越好，不育度要求在90%以上；二是标志性状在父母本上是对应的，向父本导入必须是显性的，向母本导入必须是隐性的，标志性状只需要导入一方即可；三是标志性状最好是单基因控制的，并在苗期或移栽前显现，容易分辨，不受环境条件的影响。,高不育系利用杂种优势示意图,3.高不育系的生产利用,核不育种质一般产生于单基因突变，是比较容易获得的，但突变增至2个或更多，则获得的几率将会明显减少。来源：1、自然突变和理化诱变；2、远缘杂交，包括种间、亚种间、不同类型间的杂交；3、体细胞无性系中也偶有核不育种质发现。获得不育株后，首先要鉴定他的遗传特性才便于利用。包括：核不育还是质核互作不育？显性不育还是隐形不育？全不育还是高不育？不育基因的对数？光温环境对育性有否影响等？,五、核不育种质的获得及鉴定,不育株鉴定方法：正常株与不育株杂交获得F1，F1的育性表现分：可育、不育、分离。不育株 正常株 F1 全部可育 全部不育 部分不育 正常株 育性分离 可育度分离 F2 BC1F1 可育株自交 不育株回交全部可育 分离 全部不育 分离？高不育系？生理原因 隐性核不育 质核互作 显性核不育 环境原因 比例？比例？进一步鉴定光温环境条件对育性的影响,非遗传,亲本不纯,继续鉴定,在上述鉴定的基础上，可进一步鉴定光温环境条件对育性的影响。方法：被鉴定的不育株进行周年育性观察和用不同光温条件进行处理。搞清光温环境条件与育性的关系：光温环境诱导不育？光敏型还是温敏型？长光高温诱导不育？短光低温诱导不育等？,利用核雄性不育两用系生产杂种一代种子,两用系繁殖区将23行中的能育株拔掉，隔1行不拔，以后从不育株行上收获的种子仍为两用系。制种区按一定的行比栽种两用系和父本系，但两用系的株距应缩小，使种植的株数约增加一倍；在初花期拔除两用系的能育株；从不育株上收获的种子就是杂种一代；如果在制种区同时繁殖父本，则应在完全拔除两用系内能育株后，把父本系上已开的花和果实全部摘除，以后从父本系上收获的种子仍可作父本系使用。,第五节 杂交制种技术,利用核基因互作雄性不育系生产杂种一代种子,需设立35个隔离区。甲型两用系繁殖区：从不育株上收获种子(1MsMs：1MsfMs)。雄性不育系生产区：按1：34的行比种植乙型两用系中的可育株(msms)和甲型两用系，开花时去掉甲型两用系中的能育株，任期自然授粉。在甲型两用系不育株上收获的种子为雄性不育系种子。MsMs msms Msms 100的不育在乙型两用系可育株上收获的种子，下一年继续用于雄性不育系种子的生产。F1制种区：按1：34的行比种植父本系和雄性不育系，任期自然授粉，从不育系上收获的种子为F1代杂种。从父本系上收获的种子仍为父本系。,利用核质互作雄性不育系生产杂种一代种子,不育系繁殖区按一定行比（2:1，3:1，4:1）栽植不育系和保持系；从不育系行上收获的种子仍为不育系。从保持系上收获的种子，仍为保持系。制种区按一定行比（2:1，3:1，4:1）栽植不育系和父本系，从不育系行上收获的种子为一代杂种种子，从父本系上收获的种子仍为父本系，可供下年制种用。,一）安全开花，花期相遇、理想花期是基础杂交制种中，理想的花期包括三个方面：一是父母本抽穗扬花时的光、温、湿条件好，晴、雨天数要适中，能保证父母本安全抽穗扬花、授粉受精、灌浆壮籽