离子束诱变双胚苗水稻的花器性状及相关分析

黄雅琴++朱庆松+++李尽哲++黄群策

摘要：以离子束诱变所得同源四倍体双胚苗突变水稻品系、近亲系和介导后代为研究材料，对其花粉育性、花器性状和花器性状间相关性进行了研究。结果表明，与四倍体双胚苗品系相比，二倍体双胚苗品系的正常花粉率、单穗结实率高，花器官偏小，花药长对单穗结实率贡献大，无芒率高，芒较短；披碱草介导品系的正常花粉率差异不显著，花器官较大，柱头长对单穗结实率贡献最大，无芒率最低，芒较长；原始亲本在各项指标参数中都差异不显著。

关键词：离子束；双胚苗；水稻；花粉育性；花器性状；相关分析；芒

中图分类号： S511.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0089-03

收稿日期：2015-02-06

基金项目：河南省科技前沿基础研究项目（编号：82300433202）。

作者简介：黄雅琴（1986—），女，河南信阳人，硕士，讲师，主要从事离子束生物效应方面的研究。E-mail：hyaqin88@163.com。

通信作者：李尽哲，硕士，讲师，主要从事生物技术方面的研究。E-mail：xynz1688@163.com。杂交水稻育种从研究方法上可以分为三系法、两系法和一系法[1]。一系法杂交水稻研究的实质就是挖掘无融合生殖种质资源并建立特定的技术程序，以便固定水稻的杂种优势。前人的研究结果表明，在多倍体水平挖掘水稻潜在利用价值，从中筛选多胚苗材料，进而寻找无融合生殖种质是一条比较有效的途径[2-4]。20世纪80年代中期发展起来的离子束生物技术具有独特的技术原理和简单的操作程序，它在作物育种中的诱变效应和介导作用已经被证实[5]。笔者所在团队以低能氮离子束为诱变源对同源四倍体水稻进行了诱变，在其后代群体中筛选到具有双胚苗特征的新材料[6]。同源四倍体水稻具有特殊的生殖发育现象，在小孢子母细胞减数分裂过程的不同阶段出现异常现象造成花粉败育[7]，有性繁殖器官花器结构也不同于二倍体水稻[8]。本研究对1个同源四倍体双胚苗突变水稻及其2个近亲系、1个介导品系材料的花粉育性和花器性状进行研究，以同源四倍体双胚苗水稻为材料开展无融合生殖种质挖掘，以推进一系法杂交水稻的选育进程。

1材料与方法

1.1试验材料

本研究所用材料为同源四倍体双胚苗突变水稻材料D07-04-01，其近亲系D07-02-01和01-04-01，及介导品系DP07-04-01。D07-02-01是以D07-04-01的花粉材料通过花药培养途径所获得的稳定二倍体株系；01-04-01是四倍体原始亲本，由它通过离子注入后筛选到具有双胚苗特征的D07-04-01；以D07-04-01为受体，披碱草总DNA为供体在离子束的介导下转基因，在后代群体内筛选到四倍体突变单株DP07-04-01。

1.2试验方法

1.2.1I2-KI法观察成熟花粉粒的育性在抽穗期，每份材料分别随机挑选5个生长良好的未花幼穗，在每穗的上、中、下3个部位各取3朵颖花分别制成3个临时装片，用解剖针将每3朵颖花的18个花药剥下放在1张载玻片上，滴1滴1%的I2-KI溶液，再用镊子挤出花粉。在显微镜下放大100倍看 30个标准视野，对成熟花粉粒的育性情况进行统计。根据I2-KI染色后花粉的表现形态可分为典败、圆败、染败、正常4种。典败花粉粒形态不规则、透明不染色；圆败花粉粒圆形，透明不染色；染败花粉粒圆形，不透明或部分透明，轻度染色；正常花粉粒圆形，不透明，染成较均匀的棕黑色。

1.2.2花器性状的研究在抽穗期，每份材料分别随机挑选30个生长良好的未花幼穗，在每穗上、中、下3个部位各取3朵颖花，用游标卡尺测量颖花长（x1）、颖花宽（x2），长、宽均测量颖花最长最宽处，精确至0.02 mm，重复3 次。用图像扫描法测量柱头长（x4）、柱头宽（x6）、子房高（x7）、子房宽（x8）、花药长（x9）和花药宽（x10）（单位均为mm） 。计算2个2级数据：颖花长宽比（x3）；x4+花柱长=花柱长（x5）。

单穗结实率（y）：成熟期，每份材料随机取生长发育良好的单穗30个，统计结实数，单穗结实率=（单穗的结实数/总颖花数）×100%。用DPS数据处理软件进行两组平均数t检验，并分析各性状的差异显著性；为了比较不同花器性状对单穗结实率的贡献大小，以单穗结实率为依变量，其余10个花器性状（x1～x10）为自变量，进行逐步回归分析，分析花器性状间的相关性。

随机选取1 000粒稻谷进行芒长的测定，并根据所得数据实际情况将其分成10组，计算每1组的概率。每组的组距为5 mm，组限为0～5 mm、5～10 mm、……、45～50 mm，如芒长恰为5的整数倍，则将其归入比其小的组限。

2结果与分析

2.1花粉育性的比较

同源四倍体水稻与普通的二倍体水稻相比，在小孢子母细胞减数分裂时，出现了各种不正常分裂的情况，发生于单核小孢子期的败育表现为典败，发生于二胞花粉早期的败育表现为圆败，发生于二胞花粉晚期或三胞花粉早期的败育表现为染败，这些都最终导致了花粉败育，因而四倍体水稻的结实率要比二倍体水稻低。试验结果如表1所示，与D07-04-01相比，D07-02-01的典败、圆败、染败分别少3.26百分点、8.41百分点、24.47百分点，正常高出36.14百分点；01-04-01的典败和正常分别高出6.31百分点、10.82百分点，圆败和染败少5.57百分点和11.57百分点；DP07-04-01的典败、圆败、正常分别高出1.51百分点、5.01百分点、3.18百分点，染败少9.7百分点。由此可见，D07-02-01的正常花粉率最高，D07-04-01、01-04-01和DP07-04-01的败育类型均主要为染败。

2.2花器性状的比较

由表2可知，在花器性状方面，同D07-04-01相比，D07-02-01与其差异显著或极显著，其次是DP07-04-01，01-04-01与其差异最小。D07-02-01在研究的11个花器性状中，与D07-04-01差异达极显著水平的有颖花长、颖花宽、柱头长、花柱长+柱头长、柱头宽、子房高、子房宽、花药长、花药宽和单穗结实率共10个参数，其中仅单穗结实率高出50.33百分点，其他均低；颖花长宽比达显著差异（P<0.05），少了6.62%，仅为2.96。DP07-04-01的11个花器性状中仅柱头宽达到极显著差异，高出16.48百分点；达到差异显著水平的有柱头长和子房宽，分别高出6.67百分点、7.69百分点；其他参数均未达到差异显著性水平。01-04-01 的11个花器性状均未达到差异显著性水平，其中花柱长+柱头长、子房高、子房宽、花药宽、颖花长和颖花宽共6个参数低于对照，减少最多的是花药宽，高达6.12%；柱头长、柱头宽、花药长、颖花长宽比和单穗结实率、共5个参数高于对照，增加最多的是柱头长，达4.44%。

由以上分析可见，在花器性状上，二倍体双胚苗材料与四倍体双胚苗材料之间的差异十分显著，可见染色体数目的差异能造成花器性状的显著差异；披碱草介导品系由于获得了披碱草的部分优良特性，抗逆能力强，花器性状参数增大，柱头宽大，更容易接受花粉而受孕。

2.3花器性状间的相关分析

D07-04-01的逐步回归方程为：

y=0.024 9-0.005 2x2+0.003 3x5-0.007 1x8+0.000 7x9+38.956 2x10（R=0.938 2**，SSE=0.001 1）。

由方程可知，单穗结实率与颖花宽、柱头长+花柱长、子房宽、花药长、花药宽相关，其中与柱头长+花柱长、花药长、花药宽呈正相关，与颖花宽、子房宽呈负相关。单穗结实率与

柱头长+花柱长、花药长、花药宽的偏相关系数分别为0.584 1*、0.861 2**、0.830 3**。由此可见，对单穗结实率的贡献上，花药长>花药宽>柱头长+花柱长。

D07-02-01的逐步回归方程为：

y=-0.013 9+0.003 6x4+0.007 2x6-0.002 2x8+28.764 8x9（R=0.924 3**，SSE=0.000 8）。

由方程可知，单穗结实率与柱头长、柱头宽、子房宽、花药长相关，其中与柱头长、柱头宽、花药长呈正相关，与子房宽呈负相关。单穗结实率与柱头长、柱头宽、花药长的偏相关系数分别为0.554 6、0.659 6*、0.692 1*。通过比较偏相关系数大小可知，对单穗结实率的贡献上，花药长>柱头宽>柱头长。

01-04-01的逐步回归方程为：

y=0.021 5-0.005 7x3+0.001 4x5+0.012 9x6+40.560 1x9（R=0.957 4*，SSE=0.000 5）。

由方程可知，单穗结实率与颖花长宽比、柱头长+花柱长、柱头宽、花药长相关，其中与柱头长+花柱长、柱头宽、花药长呈正相关，与颖花长宽比呈负相关。单穗结实率与柱头长+花柱长、柱头宽、花药长的偏相关系数分别为0.786 3**、0.742 2*、0.624 5。由此可见，对单穗结实率的贡献上，柱头长+花柱长>柱头宽>花药长。

DP07-04-01的逐步回归方程为：

y=-0.014 7-0.001 3x3+0.009 3x4-0.005 2x8+0.001 1x9+44.783 4x10（R=0.968 4**，SSE=0.001 0）。

由方程可知，单穗结实率与颖花长宽比、柱头长、子房宽、花药长、花药宽相关，其中与柱头长、花药长、花药宽呈正相关，与颖花长宽比、子房宽呈负相关。单穗结实率与柱头长、花药长、花药宽的偏相关系数分别为0.8053**、0.7841**、0.6522。由此可见，对单穗结实率的贡献上，柱头长>花药长>花药宽。

2.4芒的特征比较

观察每份材料的稻谷后发现并非每粒都有芒，因此它们都属于“部分有芒型”，有芒的稻谷，芒的长度也大小不一。D07-04-01无芒率为15.79%，有芒率为84.21%，芒长变幅在0.5～28.8 mm；D07-02-01无芒率为67.96%，有芒率为32.04%，芒长变幅在0.5～11.3 mm；01-04-01无芒率为18.74%，有芒率为81.26%，芒长变幅在0.5～26.3 mm；DP07-04-01无芒率为13.45%，有芒率为86.55%，芒长变幅在0.5～29.3 mm。芒长概率分布如图1所示，它们的概率密度都整体呈下降趋势，概率密度最大的都是（0～5 mm）这一组，分别为0.394 5、0.789 5、0.402 0和0.362 7，可见芒长≤5 mm的最多。值得注意的是，唯一的一个二倍体双胚苗水稻品系D07-02-01，它的芒长最大为11.3 mm，因此，15～20 mm、20～25 mm、25～30 mm这3个组限的概率均为零。从整个稻穗上考察不同长度芒的分布，4个双胚苗系列材料都具有这样的特点，即枝梗顶端上部颖花的芒较长，数量少；枝梗下部颖花芒较短，甚至无芒。由此可见，染色体组减半后，无芒率明显上升，并且芒长缩短，这是有利变异，有利于稻谷的收割和加工。

3结论与讨论

离子束生物工程是20世纪80年代在我国兴起的，其原理是利用低能离子束注入生物体，质量沉积、能量沉积和电荷交换导致生物材料产生一定的生物学效应。离子束生物技术发展起来后，在农作物育种和遗传改良上得以广泛应用。我们利用低能氮离子束对同源四倍体水稻进行注入处理，从其后代群体内中筛选到具有双胚苗遗传特性的突变株，通过对D07-04-01、D07-02-01、01-04-01和DP07-04-01这4个双胚苗系列材料的花粉育性、花器性状和芒长分布进行比较研究，发现二倍体双胚苗品系D07-02-01的正常花粉率最高、花器官偏小、单穗结实率最高、花药长对单穗结实率贡献最大、无芒率最高、芒较短；DP07-04-01这一披碱草介导品系的花器官较大、柱头长对单穗结实率贡献最大、无芒率最低、芒较长；01-04-01这一原始亲本与D07-04-01在各项指标参数中都差异不明显。已进行的苗位和胚位研究发现，D07-02-01的苗位、胚位类型丰富，多胚率高[9]。通过扫描电镜的观察发现D07-02-01的垩白粒率、垩白度和垩白大小均最小，稻米的自然横断面中部无明显辐射状，裂痕少且浅，“粗短形”的不规则多边形胚乳细胞与淀粉粒分布均匀，多面体状淀粉粒呈现典型的晶体结构，数目多且排列致密，球形单粒淀粉粒和块状不规则的复粒淀粉体数目比较少，相对结晶度高，直链淀粉含量低[10]。综合以上研究认为，二倍体双胚苗品系D07-02-01双胚苗频率高，结实率高，加工品质优良，具有进一步挖掘无融合生殖资源的潜在价值，值得进一步研究开发。

参考文献：

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