高秆突变体Mh-11的株高遗传研究
作者：朱旭东 张晓惠 钱前 严学强 闵绍楷 熊振民
单位：中国水稻研究所水稻生物学部重点实验室， 杭州 310006
关键词：水稻(Oryza sativa L.)；高秆突变；抑制基因；遗传
遗传学报000405
摘要：Mh-11是从矮秆品种桂朝2号辐射诱变后代中产生的高秆突变体。用Mh-11与sd-11矮秆、非sd-11矮秆和普通高秆材料杂交，通过对F1、F2、F3等世代以及测交后代的株高进行遗传分析，结果表明Mh-11的高秆特性是由1对隐性抑制基因控制的。该抑制基因能调节sd-11基因的表达，而对由非sd-11基因控制的矮秆没有抑制作用，这一隐性抑制基因暂时被定名为i-sd-11(t)。还讨论了该基因的遗传学意义和可能的育种利用价值。
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中图分类号：Q943 文献标识码：A 文章编号：0379-172(2000)04-311-316
Genetic Study of Plant Height of Tall Plant Mutant
Mh-11 in Rice (Oryza sativa L.)
ZHU Xu-Dong, ZHANG Xiao-Hui, QIAN Qian,YAN Xue-Qiang, MIN Shao-Kai, XIONG Zhen-Min
(China National Rice Research Institute, Key laboratory for rice
biology, Ministry of Agriculture, Hangzhou 310006, China)
, 百拇医药
Abstract: Mh-11 is a tall plant mutant induced by irradiation from semi-dwarfed variety Guichao 2. The genetic analyses were carried out through the F1, F2, F3 progenies and test-crossed F1 on Mh-11 crossed with materials with sd-11 gene, non-allelic gene to sd-11 and common tall plant. The results indicate that the induced tall plant trait of Mh-11 is controlled by a recessive inhibiting gene, named tentatively i-sd-11(t), that can regulate the expression of sd-11 gene but not of non-allelic gene to sd-11. The valuation of i-sd-11(t) in hybrid rice breeding was discussed.
, 百拇医药
Key words: Oryza sativa; tall plant mutation; inhibiting gene; genetic analysis
水稻的隐性高秆特性，因其在杂交稻制种中可改善授粉状况从而提高制种产量近年来受到重视。Rutger等报道了一种水稻隐性高秆材料，其表型特征是茎秆最上部节间异常伸长，简称长穗颈，并认为这种隐性高秆性状是杂交稻种子生产的第4种遗传要素[1]。Maekawa等也发现了类似的材料，并将该基因(eui)定位在水稻第5连锁群，与窄叶基因(nl-2)连锁[2，3]。廖昌礼等从远缘复合杂交组合中发现了隐性高秆品系Grlc[4]；孙立华等也从02428的体细胞无性系变异中获得了隐性高秆突变体[5]。
吴世弼等于1980年利用射线辐照籼稻品种桂朝2号，从M2代中选获了一种高秆突变体并定名为Mh-11。经初步研究，这一高秆突变体的株高比原亲本增高48.9%；Mh-1与原亲本杂交，F1表现为矮秆，F2株高呈3矮秆1高秆的分离，表明该突变体的高秆性状是由1对隐性主基因控制的[6]。我们于1989年从福建省引进了Mh-1，1994～1996年分析了有关世代的株高分离，以探明该隐性高秆突变的遗传模式。
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1 材料和方法
1.1 实验材料
1.1.1 主要研究材料 高秆突变体Mh-1(引自福建)，普通高秆品种陆财号(产自福建，图、表中以字母LCH表示)，携带sd-1基因的矮秆品种广陆矮4号(产自广东，GLA4)，携带sd杇基因的矮秆品系新桂矮(江苏农学院，XGA)。
1.1.2 辅助研究材料 珍汕97A(江西，ZS97A)，非sd-1籼稻矮秆品系CBR34(美国)和DM107-(巴基斯坦，DM107)；含sd-1粳稻矮秆品系T65-Sd1(日本)，非sd-1粳稻矮秆雪河矮早(云南，XHAZ)、KL803和KL804(日本)。
1.2 配组和田间种植
本研究于1993年起进行配组。通常在中国水稻研究所富阳基地夏季配制杂交种，在海南基地冬季繁殖加代。翌年，在本所富阳基地夏季同田种植亲本、F1和F2。一般于5月15日～20日播种，6月12日～17日移栽，种植密度20×24cm。亲本种植24株，F1种植12～24株，F2种植250～500株不等，各世代材料均单本插。秧田和大田生长期间未使用任何除草剂，以防止除草剂对株高表现可能造成的干扰。
, 百拇医药
1994年在对高秆/高秆的组合Mh-1/陆财号的株高调查时，发现其F2群体中分离出为数不少的矮秆个体，随机选取株高在64～190cm的53个单株种子，于1995年夏季种植53个F3株系，每个株系单本插12株，并又从不同F3株系中随机选择12个矮秆单株，当年冬季带往海南冬繁，次年春季用珍汕97A对12个矮秆株进行测交。1995年夏季种植测交F1和成对F5株系，分别单本插12株。
1.3 调查项目和统计
成熟时调查各世代植株的株高(地面至最高一穗穗顶)。亲本和F1以调查株数的平均数进行比较和分析；F2以单株为单位进行统计分析和作图；F3以株系为单位进行平均并计算株系的变异系数；测交F1和F5在求得平均数和标准差后进行分析。
2 结果与分析
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2.1 高秆突变体Mh-1与矮秆的关系
2.1.1 Mh-1与携sd-1矮秆F1的株高表现 吴世弼等曾以突变体Mh-1与桂朝2号杂交，F1表现为矮秆[6]。本实验以Mh-1与受sd-1基因控制的籼稻广陆矮4号和粳稻T65-Sd1分别杂交，F1也均同样表现为矮秆(表1)。Mh-1与广陆矮4号杂交的F1 株高为86.5cm，与T65-Sd1杂交F1的株高为89.5cm，其株高均明显矮于Mh-1，与矮秆亲本广陆矮4号和T65-Sd1相仿，属于半矮秆的范围，矮秆表现为显性。
表1 Mh-1与携sd-1矮秆品种杂交F1及其双亲的株高(cm)
Table 1 Plant height (cm) of F1 and their parents between Mh-1 and materials with sd-1 组合
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Crosses
母本
Female
父本
Male
F1
中亲值
Median
F1-
Med.
F1-父本
F1-Male
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F1-母本
F1-Fem.
GLA4/Mh-1
68.0
144.8
86.5
106.4
-19.9
-58.3
18.5
Mh-1/T65-sd1
142.6
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82.4
89.5
112.5
-23.0
7.1
-53.1
2.1.2 Mh-1与非sd-1矮秆F1的株高表现 利用非sd-1矮秆突变体与Mh-1杂交的F1株高的结果见表2。从表2可见，所有与非sd-1矮秆亲本杂交F1均表现为高秆，株高变幅在123.9～178.7cm之间，接近或超过Mh-1。与籼型非sd-1矮秆杂交的3个F1比与粳型非sd-1矮秆杂交的3个F1株高平均矮9cm，这可能与籼粳交产生株高优势有关。
2.1.3 Mh-1与矮秆杂交F2的株高分离 Mh-1与广陆矮4号杂交的F2完全呈现出双峰分布(图1，A)。矮秆与高秆的分离比为192矮秆66高秆，符合31的理论比值，即高秆突变对sd-1矮秆表现为隐性，与吴世弼等的研究结果相同[6]。
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图1 Mh-1与广陆矮4号、陆财号、新桂矮杂交的F2株高分布
Fig.1 F2 distributions of plant height on crossing Mh-1 with GLA,LCH and XGA
Mh-1与新桂矮杂交的F2也表现为双峰分布(图1，C)，但高秆和矮秆出现的比例与广陆矮4号/Mh-1的F2完全不同，高秆占多数达66.4%～63.0%，而矮秆只占33.6%～37.0%。在分离出的矮秆中，有一小部分为特矮秆类型，它们的株高比新桂矮矮得多。新桂矮所携带的矮秆基因为sd杇，与sd-1非等位，很显然Mh-1与非sd-1矮秆材料杂交，其高秆突变性状并不表现为隐性，而是表现为显性。这一结果与陈建民等的研究结果相似[7]。
2.2 高秆突变体Mh-1与普通高秆品种的关系
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2.2.1 杂种F1株高表现与F2的株高分离 以高秆突变体Mh-1与普通高秆品种陆财号杂交，F1表现为高秆达143.7cm，与Mh-1株高144.8cm几乎相同，比102.2cm的陆财号要高。高秆与高秆杂交F1仍为高秆，并与偏高一方亲本的株高相似属于正常现象。
Mh-1与陆财号杂交的F2株高出现广泛的高矮分离，呈现明显的双峰分布(图1，B)。这些矮秆是否为偶然？为此，翌年又种植了同一组合的F2分离世代，结果与上年完全相同。F2的株高变异幅度为51cm～190cm，在120cm处形成一个波谷，小于120cm的单株有88株，归为矮秆组；大于120cm的单株有210株，归为高秆组，矮秆组和高秆组的平均株高分别为96.6cm和146.1cm，两组的比例符合1矮3高的分离比，说明这些矮秆个体的株高表达受到一对隐性基因的控制。
2.2.2 F3株系的株高表现 为了追究矮秆个体产生的原因，随机选择了组合Mh-1/陆财号的F2群体中53个单株，于次年种植F3株系，结果见表3。53个随机F2单株中，株高小于104cm的一群有27个，大于105cm的一群有26个，F3株系发生了复杂的株高分离。以F3株系的株高变异系数进行分组，2个群可各分成5类，变异系数的变幅从4.0到27.99，每类的变异幅度为4，每类间隔1.0。从F3株系的株高变化可以看出，F2为矮秆的个体，在F3株系中出现了高秆个体；F2为高秆的个体在F3株系中出现了矮秆个体。总体趋势是：(1)F2为矮秆(<104cm)的个体，F3株系的株高平均数较矮，从80.0～104.5cm，其中第1、2类的株高变幅较小，分别为78～110cm和60～107cm，这两类可以认为是矮秆不分离的株系；F2为高秆(>105cm)的个体，F3株系的株高平均数较高，从105.2～174.9cm；(2)F2为矮秆的个体，在F3株系中变异系数小(4.0～7.999)的株系数明显较多(为5个)，而F2为高秆的个体，在F3株系中变异系数小和大的比例相同，均为3个，说明F2表现为高秆的单株其遗传行为较复杂。
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表2 Mh-1与非sd-1矮杆材料杂交F1及其双亲的株高(cm)
Table 2 Plant height (cm) of F1 and their parents between Mh-1 and materials with non-allelic gene to sd-1 组合
Crosses
母本
Female
父本
Male
F1
中亲值
, 百拇医药
Median
F1-
Med.
F1-父本
F1-Male
F1-母本
F1-Fem.
基因型*
Gene
indica/idica
XGA/Mh-1
, 百拇医药
69.4
145.6
123.9
107.5
16.4
-21.7
54.5
sd-g
CBR34/Mh-1
89.2
145.6
136.6
117.4
, 百拇医药
19.2
-9.0
47.4
sd-6
DM107/Mh-1
90.0
145.6
175.2
117.8
57.4
29.6
85.2
d-59(t)
, 百拇医药
japonica/indica
XHAZ/Mh-1
93.8
145.6
178.7
119.7
59.0
33.1
89.9
sd-s(t)
KL803/Mh-1
81.4
, 百拇医药
145.6
138.2
113.5
24.7
-7.4
56.8
d-29
KL804/Mh-1
61.2
145.6
145.3
103.4
41.9
, 百拇医药
-0.3
84.1
d-32
*指母本的基因型 The genotype of female
表3 Mh-1/陆财号的F3株系的株高变异(cm)
Table 3 The variation of plant height (cm) of F3 lines in cross Mh-1/LCH F3株系内
变异系数
的变幅
Range of CV of F3 lines
, 百拇医药
F2株高<104cm的系群
Lines of F2 plant height<104cm
F2株高<105cm的系群
Lines of F2 plant height<105cm
类
别
Type
株系
数
No.
, http://www.100md.com 株系平均
数变幅
R.M.L1)
株高变幅
Range of
plant height
类
别
Type
株系
数
No.
株系平均
, 百拇医药
数变幅
R.M.L1)
株高变幅
Range of
plant height
4.0～7.999
1
5
86.0～102.0
78～110
6
3
, 百拇医药
105.2～162.5
98～182
9.0～12.99
2
7
80.0～90.7
60～107
7
6
112.3～174.9
96～196
14.0～17.99
, 百拇医药 3
7
82.8～104.5
56～132
8
8
111.8～158.2
85～215
19.0～22.99
4
7
88.9～102.3
53～151
, 百拇医药
9
6
109.7～143.7
73～185
24.0～27.99
5
1
99.2
70～155
10
3
107.6～132.2
72～186
, 百拇医药
1)R.M.L.=Range of mean line
2.2.3 矮秆后代的测交表现 由于Mh-1是由矮秆品种辐射诱变而成的高秆突变体，极有可能Mh-1与陆财号杂交后代中出现的矮秆个体仍然源自Mh-1。那么这种矮秆是原来的矮秆基因sd-1，还是另外的矮秆基因？为解答这个问题，在F3株系中又随机选择了12个矮秆单株赴海南冬繁形成F4株系，再次从F4株系中随机选取1株矮秆株作父本与珍汕97A测交，并成对收获测交种和父本种子。1996年夏季同时种植测交F1和成对F5株系，结果列于表4。F5株系中，仅有1个株系发生明显的株高分离(代号为9)，所有12个测交F1均为矮秆(呈不育状态)。由于珍汕97A所携的矮秆基因为sd-1，测交F1均为矮秆说明组合Mh-1/陆财号后代中出现的矮秆个体仍受sd-1基因控制。
表4 Mh-1/陆财号的后代中矮杆株的测交F1的株高表现(cm)
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Table 4 The plant height (cm) of test-cross F1 in dwarf progenies of Mh-1/LCH 代号
Code
F3单株
株高
P.H.of
F3
F5株系的株高
Plant height of F5 lines
测交F1(珍汕97A/F4)的株高
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Plant height of test-cross F1
变幅
Range
X±S
变幅
Range
X±S
1
70
65～82
71.5±4.927
55～69
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64.4±4.033
3
70
60～97
67.5±9.949
57～67
61.7±3.339
5
85
64～81
74.0±4.134
56～68
60.8±3.353
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7
60
61～72
65.0±3.247
53～65
69.5±3.729
9
70
58～135
82.7±28.54
58～77
65.2±5.706
11
, 百拇医药
70
51～84
75.2±8.986
54～76
65.3±7.377
13
67
96～101
98.8±2.137
77～89
81.7±4.030
15
, http://www.100md.com 86
79～91
84.2±3.817
69～82
74.9±4.377
17
84
76～88
81.5±3.233
75～84
80.7±2.800
19
79
, 百拇医药
70～90
81.8±5.813
59～80
69.8±6.206
21
81
74～85
80.8±3.214
70～78
73.5±2.811
23
74
, 百拇医药 72～97
91.0±9.508
67～91
74.2±9.196
3 讨论
3.1 Mh-1高秆突变体的遗传解释
从本实验结果来看，Mh-1中仍然含有sd-1，而不是sd-1原位点的回复突变。如果是sd-1回复突变，则Mh-1与陆财号杂交的F2不会出现矮秆个体。如果是sd-1回复突变的同时，又有另一位点发生矮秆突变，则Mh-1与陆财号杂交后代中出现的矮秆，与含sd-1的测验种杂交，测交F1不会还是矮秆，而是高秆。从Mh-1与广陆矮4号杂交的F2分离来看，Mh-1是发生了单一位点的突变。根据Mh-1与含sd-1矮秆品种杂交F1的株高表现，这种突变为隐性。因此，比较合理的解释是这一隐性突变基因能调节sd-1的表达，我们将这一抑制基因暂时定名为i-Sd-(t)，这一隐性抑制基因仅对sd-1起作用，而对由非sd-1控制的矮秆不起抑制作用。Mh-1的基因型为sd-1sd-1i-Sd-i-Sd-。
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3.2 i-Sd-(t)基因在杂交后代中的传递
Mh-1与广陆矮4号杂交，双亲均含有sd-1，其差异只是抑制基因i-Sd-(t)的有无。F1因抑制基因为杂合态对sd-1不起抑制作用，植株表现为矮秆；F2代发生分离，个体植株的高矮取决与i-Sd-(t)，当抑制基因为隐性纯合态时，个体的植株表现为高秆，比例占1/4，即F2分离世代中高秆矮秆的比例为13。
通常情况下，受不同矮秆基因控制的双亲杂交，F1因矮秆基因互不等位时植株表现为高秆，F2株高表现为9高秆6矮秆1特矮的分离比，分离出的6/16矮秆个体中各有一半受各自亲本的矮秆基因控制。Mh-1与新桂矮杂交，双亲所含矮秆基因不同，前者为sd-1，后者为sd杇。 由于亲本Mh-1含有i-Sd-(t)抑制基因，F2分离出的3/16中受sd-1控制的矮秆株中有1/4，因此表现为高秆，两个矮秆基因均呈纯合态的1/16特矮类型中也有1/4，因此表现为矮秆，即sd杇得以表达而sd-1受到i-Sd-(t)的抑制。这样F2分离世代中高秆的比例增加，高秆矮秆特矮的分离比变成39223。
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Mh-1与陆财号杂交，从表现型上看双亲都是高秆，其实Mh-1内含sd-1。虽然F1中抑制基因i-Sd-(t)因杂合态不起作用，但sd-1也处于杂合态无法表达而使得植株表现为高秆。杂交后基因发生重组，F2代分离出受sd-1纯合基因型控制的个体表现为矮秆，比例占1/4，其中又有1/4个体因i-Sd-(t)基因的存在而表现高秆，高秆矮秆的分离比由无i-Sd-(t)基因时的31变成133。
3.3 Mh-1的遗传理论意义
sd-1因受到其他基因的抑制使矮生性表达受阻，以前未见到类似报道。而且，在植物遗传研究中发现的具有抑制作用的基因一般都是显性的，而i-Sd-(t)是在隐性纯合时才能对sd-1的表达产生抑制作用，这一发现丰富了水稻遗传学的基因互作理论。在水稻的其他性状上，Chang等曾报道过一个光周期敏感基因Se-1受隐性抑制基因i-Se-控制，受控基因为显性[8]，而本研究发现的受控基因为隐性。
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3.4 Mh-1的育种价值
在杂交稻制种过程中，由于不育胞质的影响不育系普遍存在包茎现象，往往需要在破口期对不育系喷施赤霉素(GA3)使最上部穗颈节间伸长以减轻其包茎程度同时增加柱头外露率，从而提高制种产量。由于sd-1对赤霉素的敏感性，不育系的株高也随着节间的伸长而增高，造成母本比父本高的不良授粉姿态，于是对父本恢复系也喷施赤霉素，这样既增加了工作量，又增加了制种成本。如果把Mh-1的隐性高秆特性导入恢复系中，使恢复系变成高秆，就无需再对父本喷施赤霉素。由于恢复系中导入的是隐性高秆特性，其杂种F1仍将是矮秆。
参 考 文 献
[1] Rutger J N et al. A fourth genetic element to facilitate hybrid production, a recessive tall in rice. Crop Science, 1981, 21:373～376.
, 百拇医药
[2] Maekawa M et al. Interaction of eui gene for the elongation of uppermost internode and some genes for elongation of rice. Jpn. J. Breed, 1983, 33(Suppl. 1):124～125.
[3] Maekawa M et al. Allelism of genes for elongation of uppermost internode from two different sources. RGN, 1989, 6:101～103.
[4] 廖昌礼等. 高秆隐性水稻Grlc的遗传与利用研究I. Grlc及其测交F1的株高特征和秆型. 西南农业学报，1988，1(1)：43～46.
[5] 孙立华等. 具广亲和性的水稻隐性高秆细胞突变体. 遗传学报，1994，21(1)：67～73.
[6] 吴世弼等. 水稻诱变获得隐性高秆基因. 福建省农科院学报，1988，3(1)：41～45.
[7] 陈建民等. 水稻隐性高秆基因的等位关系初步分析. 江苏农学院学报，1996，17(1)：22转38.
[8] Chang T T et al. Component analysis of duration from seeding to heading in rice by the basic vegetative phase and photoperiod-sensitive phase. Euphytica, 1969. 18(1):79～91., 百拇医药
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关键词：水稻(Oryza sativa L.)；高秆突变；抑制基因；遗传
遗传学报000405
摘要：Mh-11是从矮秆品种桂朝2号辐射诱变后代中产生的高秆突变体。用Mh-11与sd-11矮秆、非sd-11矮秆和普通高秆材料杂交，通过对F1、F2、F3等世代以及测交后代的株高进行遗传分析，结果表明Mh-11的高秆特性是由1对隐性抑制基因控制的。该抑制基因能调节sd-11基因的表达，而对由非sd-11基因控制的矮秆没有抑制作用，这一隐性抑制基因暂时被定名为i-sd-11(t)。还讨论了该基因的遗传学意义和可能的育种利用价值。
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Abstract: Mh-11 is a tall plant mutant induced by irradiation from semi-dwarfed variety Guichao 2. The genetic analyses were carried out through the F1, F2, F3 progenies and test-crossed F1 on Mh-11 crossed with materials with sd-11 gene, non-allelic gene to sd-11 and common tall plant. The results indicate that the induced tall plant trait of Mh-11 is controlled by a recessive inhibiting gene, named tentatively i-sd-11(t), that can regulate the expression of sd-11 gene but not of non-allelic gene to sd-11. The valuation of i-sd-11(t) in hybrid rice breeding was discussed.
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Key words: Oryza sativa; tall plant mutation; inhibiting gene; genetic analysis
水稻的隐性高秆特性，因其在杂交稻制种中可改善授粉状况从而提高制种产量近年来受到重视。Rutger等报道了一种水稻隐性高秆材料，其表型特征是茎秆最上部节间异常伸长，简称长穗颈，并认为这种隐性高秆性状是杂交稻种子生产的第4种遗传要素[1]。Maekawa等也发现了类似的材料，并将该基因(eui)定位在水稻第5连锁群，与窄叶基因(nl-2)连锁[2，3]。廖昌礼等从远缘复合杂交组合中发现了隐性高秆品系Grlc[4]；孙立华等也从02428的体细胞无性系变异中获得了隐性高秆突变体[5]。
吴世弼等于1980年利用射线辐照籼稻品种桂朝2号，从M2代中选获了一种高秆突变体并定名为Mh-11。经初步研究，这一高秆突变体的株高比原亲本增高48.9%；Mh-1与原亲本杂交，F1表现为矮秆，F2株高呈3矮秆1高秆的分离，表明该突变体的高秆性状是由1对隐性主基因控制的[6]。我们于1989年从福建省引进了Mh-1，1994～1996年分析了有关世代的株高分离，以探明该隐性高秆突变的遗传模式。
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1 材料和方法
1.1 实验材料
1.1.1 主要研究材料 高秆突变体Mh-1(引自福建)，普通高秆品种陆财号(产自福建，图、表中以字母LCH表示)，携带sd-1基因的矮秆品种广陆矮4号(产自广东，GLA4)，携带sd杇基因的矮秆品系新桂矮(江苏农学院，XGA)。
1.1.2 辅助研究材料 珍汕97A(江西，ZS97A)，非sd-1籼稻矮秆品系CBR34(美国)和DM107-(巴基斯坦，DM107)；含sd-1粳稻矮秆品系T65-Sd1(日本)，非sd-1粳稻矮秆雪河矮早(云南，XHAZ)、KL803和KL804(日本)。
1.2 配组和田间种植
本研究于1993年起进行配组。通常在中国水稻研究所富阳基地夏季配制杂交种，在海南基地冬季繁殖加代。翌年，在本所富阳基地夏季同田种植亲本、F1和F2。一般于5月15日～20日播种，6月12日～17日移栽，种植密度20×24cm。亲本种植24株，F1种植12～24株，F2种植250～500株不等，各世代材料均单本插。秧田和大田生长期间未使用任何除草剂，以防止除草剂对株高表现可能造成的干扰。
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1994年在对高秆/高秆的组合Mh-1/陆财号的株高调查时，发现其F2群体中分离出为数不少的矮秆个体，随机选取株高在64～190cm的53个单株种子，于1995年夏季种植53个F3株系，每个株系单本插12株，并又从不同F3株系中随机选择12个矮秆单株，当年冬季带往海南冬繁，次年春季用珍汕97A对12个矮秆株进行测交。1995年夏季种植测交F1和成对F5株系，分别单本插12株。
1.3 调查项目和统计
成熟时调查各世代植株的株高(地面至最高一穗穗顶)。亲本和F1以调查株数的平均数进行比较和分析；F2以单株为单位进行统计分析和作图；F3以株系为单位进行平均并计算株系的变异系数；测交F1和F5在求得平均数和标准差后进行分析。
2 结果与分析
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2.1 高秆突变体Mh-1与矮秆的关系
2.1.1 Mh-1与携sd-1矮秆F1的株高表现 吴世弼等曾以突变体Mh-1与桂朝2号杂交，F1表现为矮秆[6]。本实验以Mh-1与受sd-1基因控制的籼稻广陆矮4号和粳稻T65-Sd1分别杂交，F1也均同样表现为矮秆(表1)。Mh-1与广陆矮4号杂交的F1 株高为86.5cm，与T65-Sd1杂交F1的株高为89.5cm，其株高均明显矮于Mh-1，与矮秆亲本广陆矮4号和T65-Sd1相仿，属于半矮秆的范围，矮秆表现为显性。
表1 Mh-1与携sd-1矮秆品种杂交F1及其双亲的株高(cm)
Table 1 Plant height (cm) of F1 and their parents between Mh-1 and materials with sd-1 组合
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Crosses
母本
Female
父本
Male
F1
中亲值
Median
F1-
Med.
F1-父本
F1-Male
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F1-母本
F1-Fem.
GLA4/Mh-1
68.0
144.8
86.5
106.4
-19.9
-58.3
18.5
Mh-1/T65-sd1
142.6
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82.4
89.5
112.5
-23.0
7.1
-53.1
2.1.2 Mh-1与非sd-1矮秆F1的株高表现 利用非sd-1矮秆突变体与Mh-1杂交的F1株高的结果见表2。从表2可见，所有与非sd-1矮秆亲本杂交F1均表现为高秆，株高变幅在123.9～178.7cm之间，接近或超过Mh-1。与籼型非sd-1矮秆杂交的3个F1比与粳型非sd-1矮秆杂交的3个F1株高平均矮9cm，这可能与籼粳交产生株高优势有关。
2.1.3 Mh-1与矮秆杂交F2的株高分离 Mh-1与广陆矮4号杂交的F2完全呈现出双峰分布(图1，A)。矮秆与高秆的分离比为192矮秆66高秆，符合31的理论比值，即高秆突变对sd-1矮秆表现为隐性，与吴世弼等的研究结果相同[6]。
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图1 Mh-1与广陆矮4号、陆财号、新桂矮杂交的F2株高分布
Fig.1 F2 distributions of plant height on crossing Mh-1 with GLA,LCH and XGA
Mh-1与新桂矮杂交的F2也表现为双峰分布(图1，C)，但高秆和矮秆出现的比例与广陆矮4号/Mh-1的F2完全不同，高秆占多数达66.4%～63.0%，而矮秆只占33.6%～37.0%。在分离出的矮秆中，有一小部分为特矮秆类型，它们的株高比新桂矮矮得多。新桂矮所携带的矮秆基因为sd杇，与sd-1非等位，很显然Mh-1与非sd-1矮秆材料杂交，其高秆突变性状并不表现为隐性，而是表现为显性。这一结果与陈建民等的研究结果相似[7]。
2.2 高秆突变体Mh-1与普通高秆品种的关系
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2.2.1 杂种F1株高表现与F2的株高分离 以高秆突变体Mh-1与普通高秆品种陆财号杂交，F1表现为高秆达143.7cm，与Mh-1株高144.8cm几乎相同，比102.2cm的陆财号要高。高秆与高秆杂交F1仍为高秆，并与偏高一方亲本的株高相似属于正常现象。
Mh-1与陆财号杂交的F2株高出现广泛的高矮分离，呈现明显的双峰分布(图1，B)。这些矮秆是否为偶然？为此，翌年又种植了同一组合的F2分离世代，结果与上年完全相同。F2的株高变异幅度为51cm～190cm，在120cm处形成一个波谷，小于120cm的单株有88株，归为矮秆组；大于120cm的单株有210株，归为高秆组，矮秆组和高秆组的平均株高分别为96.6cm和146.1cm，两组的比例符合1矮3高的分离比，说明这些矮秆个体的株高表达受到一对隐性基因的控制。
2.2.2 F3株系的株高表现 为了追究矮秆个体产生的原因，随机选择了组合Mh-1/陆财号的F2群体中53个单株，于次年种植F3株系，结果见表3。53个随机F2单株中，株高小于104cm的一群有27个，大于105cm的一群有26个，F3株系发生了复杂的株高分离。以F3株系的株高变异系数进行分组，2个群可各分成5类，变异系数的变幅从4.0到27.99，每类的变异幅度为4，每类间隔1.0。从F3株系的株高变化可以看出，F2为矮秆的个体，在F3株系中出现了高秆个体；F2为高秆的个体在F3株系中出现了矮秆个体。总体趋势是：(1)F2为矮秆(<104cm)的个体，F3株系的株高平均数较矮，从80.0～104.5cm，其中第1、2类的株高变幅较小，分别为78～110cm和60～107cm，这两类可以认为是矮秆不分离的株系；F2为高秆(>105cm)的个体，F3株系的株高平均数较高，从105.2～174.9cm；(2)F2为矮秆的个体，在F3株系中变异系数小(4.0～7.999)的株系数明显较多(为5个)，而F2为高秆的个体，在F3株系中变异系数小和大的比例相同，均为3个，说明F2表现为高秆的单株其遗传行为较复杂。
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表2 Mh-1与非sd-1矮杆材料杂交F1及其双亲的株高(cm)
Table 2 Plant height (cm) of F1 and their parents between Mh-1 and materials with non-allelic gene to sd-1 组合
Crosses
母本
Female
父本
Male
F1
中亲值
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Median
F1-
Med.
F1-父本
F1-Male
F1-母本
F1-Fem.
基因型*
Gene
indica/idica
XGA/Mh-1
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69.4
145.6
123.9
107.5
16.4
-21.7
54.5
sd-g
CBR34/Mh-1
89.2
145.6
136.6
117.4
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19.2
-9.0
47.4
sd-6
DM107/Mh-1
90.0
145.6
175.2
117.8
57.4
29.6
85.2
d-59(t)
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japonica/indica
XHAZ/Mh-1
93.8
145.6
178.7
119.7
59.0
33.1
89.9
sd-s(t)
KL803/Mh-1
81.4
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145.6
138.2
113.5
24.7
-7.4
56.8
d-29
KL804/Mh-1
61.2
145.6
145.3
103.4
41.9
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-0.3
84.1
d-32
*指母本的基因型 The genotype of female
表3 Mh-1/陆财号的F3株系的株高变异(cm)
Table 3 The variation of plant height (cm) of F3 lines in cross Mh-1/LCH F3株系内
变异系数
的变幅
Range of CV of F3 lines
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F2株高<104cm的系群
Lines of F2 plant height<104cm
F2株高<105cm的系群
Lines of F2 plant height<105cm
类
别
Type
株系
数
No.
, http://www.100md.com 株系平均
数变幅
R.M.L1)
株高变幅
Range of
plant height
类
别
Type
株系
数
No.
株系平均
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数变幅
R.M.L1)
株高变幅
Range of
plant height
4.0～7.999
1
5
86.0～102.0
78～110
6
3
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105.2～162.5
98～182
9.0～12.99
2
7
80.0～90.7
60～107
7
6
112.3～174.9
96～196
14.0～17.99
, 百拇医药 3
7
82.8～104.5
56～132
8
8
111.8～158.2
85～215
19.0～22.99
4
7
88.9～102.3
53～151
, 百拇医药
9
6
109.7～143.7
73～185
24.0～27.99
5
1
99.2
70～155
10
3
107.6～132.2
72～186
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1)R.M.L.=Range of mean line
2.2.3 矮秆后代的测交表现 由于Mh-1是由矮秆品种辐射诱变而成的高秆突变体，极有可能Mh-1与陆财号杂交后代中出现的矮秆个体仍然源自Mh-1。那么这种矮秆是原来的矮秆基因sd-1，还是另外的矮秆基因？为解答这个问题，在F3株系中又随机选择了12个矮秆单株赴海南冬繁形成F4株系，再次从F4株系中随机选取1株矮秆株作父本与珍汕97A测交，并成对收获测交种和父本种子。1996年夏季同时种植测交F1和成对F5株系，结果列于表4。F5株系中，仅有1个株系发生明显的株高分离(代号为9)，所有12个测交F1均为矮秆(呈不育状态)。由于珍汕97A所携的矮秆基因为sd-1，测交F1均为矮秆说明组合Mh-1/陆财号后代中出现的矮秆个体仍受sd-1基因控制。
表4 Mh-1/陆财号的后代中矮杆株的测交F1的株高表现(cm)
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Table 4 The plant height (cm) of test-cross F1 in dwarf progenies of Mh-1/LCH 代号
Code
F3单株
株高
P.H.of
F3
F5株系的株高
Plant height of F5 lines
测交F1(珍汕97A/F4)的株高
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Plant height of test-cross F1
变幅
Range
X±S
变幅
Range
X±S
1
70
65～82
71.5±4.927
55～69
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64.4±4.033
3
70
60～97
67.5±9.949
57～67
61.7±3.339
5
85
64～81
74.0±4.134
56～68
60.8±3.353
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7
60
61～72
65.0±3.247
53～65
69.5±3.729
9
70
58～135
82.7±28.54
58～77
65.2±5.706
11
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70
51～84
75.2±8.986
54～76
65.3±7.377
13
67
96～101
98.8±2.137
77～89
81.7±4.030
15
, http://www.100md.com 86
79～91
84.2±3.817
69～82
74.9±4.377
17
84
76～88
81.5±3.233
75～84
80.7±2.800
19
79
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70～90
81.8±5.813
59～80
69.8±6.206
21
81
74～85
80.8±3.214
70～78
73.5±2.811
23
74
, 百拇医药 72～97
91.0±9.508
67～91
74.2±9.196
3 讨论
3.1 Mh-1高秆突变体的遗传解释
从本实验结果来看，Mh-1中仍然含有sd-1，而不是sd-1原位点的回复突变。如果是sd-1回复突变，则Mh-1与陆财号杂交的F2不会出现矮秆个体。如果是sd-1回复突变的同时，又有另一位点发生矮秆突变，则Mh-1与陆财号杂交后代中出现的矮秆，与含sd-1的测验种杂交，测交F1不会还是矮秆，而是高秆。从Mh-1与广陆矮4号杂交的F2分离来看，Mh-1是发生了单一位点的突变。根据Mh-1与含sd-1矮秆品种杂交F1的株高表现，这种突变为隐性。因此，比较合理的解释是这一隐性突变基因能调节sd-1的表达，我们将这一抑制基因暂时定名为i-Sd-(t)，这一隐性抑制基因仅对sd-1起作用，而对由非sd-1控制的矮秆不起抑制作用。Mh-1的基因型为sd-1sd-1i-Sd-i-Sd-。
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3.2 i-Sd-(t)基因在杂交后代中的传递
Mh-1与广陆矮4号杂交，双亲均含有sd-1，其差异只是抑制基因i-Sd-(t)的有无。F1因抑制基因为杂合态对sd-1不起抑制作用，植株表现为矮秆；F2代发生分离，个体植株的高矮取决与i-Sd-(t)，当抑制基因为隐性纯合态时，个体的植株表现为高秆，比例占1/4，即F2分离世代中高秆矮秆的比例为13。
通常情况下，受不同矮秆基因控制的双亲杂交，F1因矮秆基因互不等位时植株表现为高秆，F2株高表现为9高秆6矮秆1特矮的分离比，分离出的6/16矮秆个体中各有一半受各自亲本的矮秆基因控制。Mh-1与新桂矮杂交，双亲所含矮秆基因不同，前者为sd-1，后者为sd杇。 由于亲本Mh-1含有i-Sd-(t)抑制基因，F2分离出的3/16中受sd-1控制的矮秆株中有1/4，因此表现为高秆，两个矮秆基因均呈纯合态的1/16特矮类型中也有1/4，因此表现为矮秆，即sd杇得以表达而sd-1受到i-Sd-(t)的抑制。这样F2分离世代中高秆的比例增加，高秆矮秆特矮的分离比变成39223。
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Mh-1与陆财号杂交，从表现型上看双亲都是高秆，其实Mh-1内含sd-1。虽然F1中抑制基因i-Sd-(t)因杂合态不起作用，但sd-1也处于杂合态无法表达而使得植株表现为高秆。杂交后基因发生重组，F2代分离出受sd-1纯合基因型控制的个体表现为矮秆，比例占1/4，其中又有1/4个体因i-Sd-(t)基因的存在而表现高秆，高秆矮秆的分离比由无i-Sd-(t)基因时的31变成133。
3.3 Mh-1的遗传理论意义
sd-1因受到其他基因的抑制使矮生性表达受阻，以前未见到类似报道。而且，在植物遗传研究中发现的具有抑制作用的基因一般都是显性的，而i-Sd-(t)是在隐性纯合时才能对sd-1的表达产生抑制作用，这一发现丰富了水稻遗传学的基因互作理论。在水稻的其他性状上，Chang等曾报道过一个光周期敏感基因Se-1受隐性抑制基因i-Se-控制，受控基因为显性[8]，而本研究发现的受控基因为隐性。
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3.4 Mh-1的育种价值
在杂交稻制种过程中，由于不育胞质的影响不育系普遍存在包茎现象，往往需要在破口期对不育系喷施赤霉素(GA3)使最上部穗颈节间伸长以减轻其包茎程度同时增加柱头外露率，从而提高制种产量。由于sd-1对赤霉素的敏感性，不育系的株高也随着节间的伸长而增高，造成母本比父本高的不良授粉姿态，于是对父本恢复系也喷施赤霉素，这样既增加了工作量，又增加了制种成本。如果把Mh-1的隐性高秆特性导入恢复系中，使恢复系变成高秆，就无需再对父本喷施赤霉素。由于恢复系中导入的是隐性高秆特性，其杂种F1仍将是矮秆。
参 考 文 献
[1] Rutger J N et al. A fourth genetic element to facilitate hybrid production, a recessive tall in rice. Crop Science, 1981, 21:373～376.
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[2] Maekawa M et al. Interaction of eui gene for the elongation of uppermost internode and some genes for elongation of rice. Jpn. J. Breed, 1983, 33(Suppl. 1):124～125.
[3] Maekawa M et al. Allelism of genes for elongation of uppermost internode from two different sources. RGN, 1989, 6:101～103.
[4] 廖昌礼等. 高秆隐性水稻Grlc的遗传与利用研究I. Grlc及其测交F1的株高特征和秆型. 西南农业学报，1988，1(1)：43～46.
[5] 孙立华等. 具广亲和性的水稻隐性高秆细胞突变体. 遗传学报，1994，21(1)：67～73.
[6] 吴世弼等. 水稻诱变获得隐性高秆基因. 福建省农科院学报，1988，3(1)：41～45.
[7] 陈建民等. 水稻隐性高秆基因的等位关系初步分析. 江苏农学院学报，1996，17(1)：22转38.
[8] Chang T T et al. Component analysis of duration from seeding to heading in rice by the basic vegetative phase and photoperiod-sensitive phase. Euphytica, 1969. 18(1):79～91., 百拇医药