CN101006767A - 海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法 - Google Patents

海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法，以大米草为父本、水稻为母本，或以大米草为母本、水稻为父本，进行杂交，得子一代种子。发明通过大米草与水稻远缘杂交，可以导入父本大米草的耐盐有利基因，提高和改进水稻的经济性能，出现近缘杂交不可比拟的多样性和新类型，扩大水稻的遗传基础。大米草与水稻属间远缘杂交，可以选育出米草/水稻粮饲兼用型作物。

Description

海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法
技术领域：
本发明涉及一种植物杂交育种方法。
背景技术：
大米草是米草属(Spartina)中的多年生植物，天然分布于英国南海岸。大米草共有两个种，一种为不育种(Spartina townsendiiH.&.J.Groves)，一种为结籽种(Spartina anglica C.E Hubbard)。米草属，又称绳草属，属于禾本科虎尾草属。
大米草染色体数目一般为2n＝122，但在一些繁殖系中2n＝120或124。
目前，国际上已鉴定出14种米草。分布上主要以大米草(Spartinaanglica)、互花米草(S.alterniflora)、大绳草(S.cynosuriodes)、狐米草(S.patens)为主，其中分布面积最广的是大米草和互花米草。大米草已列入中国饲料学中：禾本科大米草属多年生草本植物。具根状茎，茎秆直立，株丛高20-150cm。叶片狭披针形，宽7-15mm，被蜡质光滑，两面均有盐腺。总状花序直立或斜上。大米草具有很强的耐盐、耐淹能力。既能生于海水盐土，也能适应淡水、淡土，最适生于海滩潮间带的中潮带。一般用分株繁殖，3-5株为一丛，行株距1.5-3m，在小潮转大潮之际移栽。年可刈割2-3次，鲜草产量15-30t/hm2。适口性好，适合放牧饲养牛、羊等反刍动物，亦可用于草食鱼类。风干大米草的化学成分(％)：干物质87.0，粗蛋白10.4，粗脂肪2.0，粗纤维24.4，无氮浸出物37.3，粗灰分12.9。
我国海岸线总长3.2万公里，其中大陆海岸线1.8万公里，潮间带海涂面积4000万亩。1963年我国引种大米草取得成功，成为亚洲引种大米草成功的第一个国家。经过40多年坚持不懈的努力，取得了大米草栽培技术和综合利用的多方面第一手资料和经验。我国东部沿海北起辽宁锦西，南到广西北海共有100多个县市海滩上已有大米草人工群落面积达60万亩，跃居世界之首[4]。江苏省滩涂面积1000万亩，大米草面积25万亩，江苏省南通地区15万亩。大米草是开发海涂的先锋植物，由于大米草具有耐盐碱、耐潮汐淹没、繁殖力强、根系发达等特点，能在寸草不生的光滩上生长。大米草可以保滩护堤，促淤造陆，可以作为牛羊饲草创办海滨牧场[5-13]。前一阵时间，大米草由保滩护堤，促淤造陆的先锋植物转变为有害入侵物种之一，有些地方设法进行大规模地铲除。但当人们充分认识到大米草具有很好的利用潜力时，有的地方又开始重新在适宜的地方种植大米草，开展了养牛、羊、鱼、等综合利用。
对大米草的利弊要科学分析，综合治理，变不利物种为有用资源。对大米草物种的生态控制方法主要是大规模的合理的综合利用及开展对大米草的耐盐优质种质资源的挖掘与创新研究。
水稻在植物分类学上属禾本科(Gramineae)稻属(Oryza)。稻属植物有很多“种”(Species)。世界上栽培稻有普通栽培稻和光稃稻(光身稻)两种，普通栽培稻分布最广，江苏地区种植的水稻也是普通栽培稻。光稃稻分布于非洲，种植面积不大。这两个栽培稻种均为二倍体，体细胞染色体数2n＝24。
水稻是主要的粮食作物之一。全世界约有1/2的人口以稻米为主食，我国水稻种植面积及总产量均占世界第一位，我国稻作有两大特色：(一)我国是世界上栽培水稻历史最悠久的国家；(二)品种资源丰富多彩，为改良品种提供了极为良好的种质条件。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种能培育出米草/水稻粮饲兼用型作物的海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法。
本发明的技术解决方案是：
一种海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法，其特征是：以大米草为父本、水稻为母本，或以大米草为母本、水稻为父本，进行杂交，杂交时包括下列步骤：
(1)以大米草为父本、水稻为母本时：
将水稻用温汤去雄法去雄，具体操作时，为了提高工效和去雄效果，同时防止折断稻株，用不锈钢盆作为去雄盆，盆底钻有4～6个能穿过稻穗的孔，将稻穗穿过盆底孔，稻穗杆与孔之间涂橡皮泥防漏，并将去雄盆挂在高度可调的三角架上，用去雄盆盛满温水，将水温控制41-42℃，选择母本穗部露出叶鞘2/3～3/4以上的稻穗浸入温水中处理10～11分钟，以达到去雄效果，拿去橡皮泥，取出稻穗；然后，过20～30分钟，切除未开的颖花和已开颖的花药，去除花药时，同时剪去颖壳上部的1/3，以提高柱头外露率和结实率，去雄剪颖后用玻璃纸袋套上稻穗隔离，挂牌编号，然后剪取大米草的花药穗进行授粉，授粉时，将大米草同株多个花药穗一起授粉，且第二天上午仍用同株大米草花药穗再次授粉，封好套袋口，挂牌上标明父母本名称、杂交日期，稻株穗结籽得子一代种子；
(2)大米草为母本、水稻为父本时：
将大米草进行去雄处理，去雄方法，选取大米草花穗，大米草开花先柱头外露，在发现有3-5对花柱外露时，用镊子轻轻自上而下剖开小花，把花药去除，套袋隔离，挂牌编号，将父本稻穗整个剪下，插在烧杯中，杯中盛水，带到母本大米草植株处，随用随取，选取开好花的稻穗，将水稻雄粉授在去雄的大米草穗上，授粉采取连续直接授粉方法，即花柱大部分外露时用水稻雄粉授粉一次，第二天再授粉一次，封好套袋口，挂牌上注明父母本名称、杂交日期，大米草结籽得子一代种子。
所用大米草是用下列方法得到的大米草：从海滩挖取的深度25～35厘米的大米草块，用海水洗净泥砂后，选取其中的大米草苗，栽植在瓷缸内，并浇足1％的盐水，以后每隔15天浇一次1％的盐水，培育成所需大米草。
将子一代作为母本、水稻为父本进行杂交得子二代，然后以子二代作为母本、水稻为父本进行杂交得子三代，再将子三代作为母本、水稻为父本进行杂交得开始正常种植的子四代。
本发明通过大米草与水稻远缘杂交，可以导入父本大米草的耐盐有利基因，提高和改进水稻的经济性能，出现近缘杂交偿可比拟的多样性和新类型，扩大水稻的遗传基础。本发明采取大米草与水稻杂交，将运用远缘杂交育种技术和分子检测等现代技术改良大米草种子饱满度等农艺性状，为实现该物种的综合利用提供科学方案。同时通过大米草与水稻杂交抗性和优良农艺性状的测定，探索大米草重要性状遗传规律与水稻远缘杂交育种理论和方法，为水稻经济性状和大米草耐盐基因种质资源发掘与创新奠定理论基础。
大米草与水稻属间远缘杂交，杂种基因组结构发生了变化。这虽不完全是典型的精卵结合的远缘杂交，但表明了通过有性过程，水稻染色体组内导入了异源植物的遗传物质，从而表达了性状和细胞学的变异。这不仅在育种上有实用价值，而且有重要的理论意义。
大米草与水稻属间远缘杂交，可以选育出米草/水稻粮饲兼用型作物。①现阶段人口不断增长；②现阶段对粮食总需求量的增加；③耕地日趋减少；④淡水资源严重不足的情况下，通过水稻优良经济性状和大米草耐盐基因种质资源发掘与创新研究，培育耐盐水稻新品种，同时大米草上长水稻，培育适合海涂生长的耐盐优质新饲草和水稻新品种。这对开发和利用我国广阔的海涂具有巨大的经济价值和社会意义。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图是大米草与水稻远缘杂交后代变异的RAPD分析图。
具体实施方式：
亲本选择：选用江苏沿江地区农科所常用研究的水稻品种，利用水稻优良基因；大米草，利用大米草耐盐、耐淹、多年生等有利基因。大米草(Spartina anglica)
引种地点：江苏省启东市兴垦区段黄海滩大米草场。引种后种植在瓷缸内，缸中用泥土70％，木薯渣20％，羊粪5％，碎鸡蛋壳5％，每只瓷缸内直径26cm，高度30cm。
大米草引进：挖取海滩大米草块，深度30cm左右，用海水洗净泥沙，选取整齐、粗壮、根系发达的大米草苗10kg，共1720株，次日分别栽植在36只瓷缸内，浇足1％的盐水。以后每隔15天浇一次1％的盐水。
水稻：选用水稻品种(组合)共20个，由江苏沿江地区农科所稻麦研究室提供。水稻(组合)分品种种植在与大米草相同的瓷缸和泥土内，灌溉用自来水。选用的水稻品种(组合)如下：
第一次：(1)盐稻9号，(2)培矮64S/04141(水稻杂交组合)，(3)南粳41，(4)华粳4号，(5)华粳1号，(6)农垦57。
第二次：(1)徐稻3号，(2)中香1号，(3)扬稻6号，(4)中花15，(5)银玉早，(6)华粳4号，(7)常农粳4号，(8)南方丝苗，(9)六千辛，(10)镇籼866，(11)银香18，(12)武粳13，(13)武运粳7号，(14)武香粳14。
观测和记载大米草、水稻、F1内容
①茎蘖动态考察，观察记载总苗数；
②记载生育期：分蘖期、拔节期、孕穗期、始穗期、齐穗期、成熟期；
③开花习性观察：始花期、盛花期：是在穗抽出后第几天；开花时间，特别是盛开时间：是一天中的何时至何时；颖花特征：开颖时间长短，柱头是否外露。
大米草×水稻杂交方法：
(1)以大米草为父本、水稻为母本时：
将水稻用温汤去雄法去雄，具体操作时，为了提高工效和去雄效果，同时防止折断稻株，用不锈钢盆作为去雄盆，盆底钻有4～6个能穿过稻穗的孔，将稻穗穿过盆底孔，稻穗杆与孔之间涂橡皮泥防漏，并将去雄盆挂在高度可调的三角架上，用去雄盆盛满温水，将水温控制41-42℃，选择母本穗部露出叶鞘2/3～3/4以上的稻穗浸入温水中处理10～11分钟，以达到去雄效果，拿去橡皮泥，取出稻穗；然后，过20～30分钟，切除未开的颖花和已开颖的花药，去除花药时，同时剪去颖壳上部的1/3，以提高柱头外露率和结实率，去雄剪颖后用玻璃纸袋套上稻穗隔离，挂牌编号，然后剪取大米草的花药穗进行授粉，授粉时，将大米草同株多个花药穗一起授粉，且第二天上午仍用同株大米草花药穗再次授粉，封好套袋口，挂牌上标明父母本名称、杂交日期，稻株穗结籽得子一代种子；
(2)大米草为母本、水稻为父本时：
将大米草进行去雄处理，去雄方法，选取大米草花穗，大米草开花先柱头外露，在发现有3-5对花柱外露时，用镊子轻轻自上而下剖开小花，把花药去除，套袋隔离，挂牌编号，将父本稻穗整个剪下，插在烧杯中，杯中盛水，带到母本大米草植株处，随用随取，选取开好花的稻穗，将水稻雄粉授在去雄的大米草穗上，授粉采取连续直接授粉方法，即花柱大部分外露时用水稻雄粉授粉一次，第二天再授粉一次，封好套袋口，挂牌上注明父母本名称、杂交日期，大米草结籽得子一代种子。水稻与大米草远缘杂交后代变异的RAPD分析
采集大米草叶片1.5g，培矮64S/04141(组合)、F132、F134再生叶子(顶1-3叶)，每样品1g嫩叶片，2006.12.13送南京大学生物技术研究所进行实验室分析。(说明：F132、F134为自定编号，是指大米草♂×水稻培矮64S/04141♀杂交一代第32、34号植株)
材料：水稻与大米草远缘杂交后代F132、F134；水稻64S/04141(水稻杂交组合)；大米草。
随机引物：订购自上海生工生物技术公司，共选择了25个RAPD随机引物。
DNA提取：
采用上海华舜生物工程公司生产的DNA小量提取试剂盒提取。
PCR反应：PCR反应混合液体积为25μL，包括1U Taq聚合酶(北京天为时代有限公司)，30-50ng的模板DNA。扩增程序为94℃预变性3min，94℃变性1min，38℃复性1min，72℃延伸2min，35个循环，最后72℃延伸8min。
扩增产物用1.5％的琼脂糖凝胶电泳分离，Gene Genius全自动凝胶成像分析系统观察并记录结果。
采集大米草连根带叶苗3丛，F132、F134、盐稻9号、培矮64S/04141的种子恒温30℃发芽，待根长至0.2-0.8cm时送样检测。分别送南京农业大学植物重点实验室、南通市农业职业技术学院生物技术实验室进行实验室分析。
第一次大米草和水稻远缘杂交试验结果与分析
引进大米草种苗1720株，通过模拟海涂环境盆栽试验栽种获得成功。同年，开展了大米草(♂)×水稻(♀)、水稻(♂)×大米草(♀)远缘杂交试验。水稻(♂)×大米草(♀)杂交试验结果见表1。
表1水稻(♂)×大米草(♀)杂交试验结果(2005年)
水稻品种 大米草丛数 结籽穗数 结籽粒数  每穗米草籽粒数 F1千粒重(g) 大米草籽千粒重(g) 水稻千粒重(g)
盐稻9号 4  4  248  62  3.73  2.89  27.6
南粳41号 3  2  93  46  3.66  2.89  27.1
华粳4号 4  2  50  25  2.95  2.55  25.3
华粳1号 4  1  81  81  3.95  2.89  26.5
农垦57 5  5  177  35  2.98  2.55  24.5
盐稻9号 4  4  227  56  3.20  2.89  27.6
合  计 24  18  876  51  3.41  2.7  26.4
水稻(♂)×大米草(♀)杂交试验结果分析
结籽穗：试验组水稻(♂)5个品种，与大米草(♀)杂交试验共24丛，其中结籽穗18穗，穗结籽率占75％；对照组大米草结籽穗6穗，无籽穗2穗，穗结籽率占75％。
穗结籽情况：试验组18穗F1种子876粒，平均每穗结籽51粒；对照组(大米草)：结籽333粒，平均每穗结籽55粒。试验组穗结籽率减少7.8％。
种子千粒重：试验组F1种子3.41g，对照组大米草种子2.7g。试验组千粒重增加0.71g，提高26.3％。
大米草(♂)×水稻(♀)杂交试验结果分析：
结籽粒数149粒，F1千粒重14.56g，比对照组大米草籽千粒重2.7g增加11.86g，提高了4.4倍。母本培矮64S/04141(组合)实测千粒重为21.8g，F1种子千粒重是母本千粒重的66.8％。
第二次大米草与水稻远缘杂交试验情况结果与分析
大米草(♂)与F132、F134(♀)杂交试验情况。
大米草(♂)与F132、F134(♀)共杂交17穗，总剪颖数846粒，获得F2种子24粒，杂交穗结籽率2.84％；F132自交穗结籽率45.23％；F134自交穗结籽率46.43％；母本培矮64S/04141自交穗结籽率33.33％。详见表2。
表2大米草(♂)与F132、F134(♀)杂交试验情况(2006)
品种(组合) 穗数 穗长(cm)   穗粒数 千粒重(g)
  实粒数 穗均   空瘪粒 穗均   总剪颖数 穗均
  F132/大米草   5   11.96   15   3   148   29.6   163   32.6
  F134/大米草   12   12.86   9   0.75   674   56.17   683   56.92
  F132自交   58   12.18   1906   32.86   2308   39.79   4214   72.66   17.36
F134自交 166 16.50 9936 59.85   11641 69.04   21397 128.90 19.41
  培矮   4   12.68   83   20.75   166   41.5   249   62.25   19.66
  64S/04141
注：F132/大米草、F134/大米草的总粒数为剪颖的总粒数。
大米草(父本)×水稻(母本)杂交试验情况
第二次杂交试验由于受花期相遇时间、大米草花穗不足、天气连续阴雨影响，大米草作为父本只与6个水稻品种(组合)母本杂交，杂交试验共计23穗，总剪颖粒数1494粒，空瘪粒数1431粒，共得杂交种子63粒，杂交穗结籽率4.2％。详见表3。
表3大米草(♂)与水稻(组合)♀杂交试验情况
品种(组合) 穗数     穗长(cm)     穗粒数
    实粒数     穗均   空瘪粒   穗均   总剪颖数     穗均
盐稻9号/大米草 3 15.2 21 7 198 66 219 73
武香粳14/大米草 4 15.5 0 0 249   62.25 249 62.25
银香18/大米草     1     14.1     0     0   50   50   50     50
常农粳4号/大米草 3 14.3 11 3.7 211 70.3 222 74
六千辛/大米草     3     10.3     8     2.7   94   31.3   102     34
苏玉33*/大米草     9     13.7     23     2.5   629   69.9   652     7204
合  计     23     13.9     63     2.7   1431   62.2   1494     64.96
注：苏玉33是指本项目组第一次用玉米品种苏玉糯1号与水稻培矮64S/04141杂交得到的第33号植株F1种子。
种子发芽试验
将收取的自交种子各20粒进行种子发芽试验。结果发现F232-1种子发芽率75％比培矮64S/04141(母本)种子发芽率65％高10％，苗高增加5.63cm，提高104％，平均苗根数多1.1个，根长增多0.29cm，增长9％。F234-1种子发芽率95％比培矮64S/04141(母本)种子发芽率65％提高30％，苗高增加3.37cm，提高65％，平均苗根数多1.0个，根长增多0.6cm，增长18.6％。详见表4．
表4种子发芽测量记录cm、％
Figure A20071001963500141
采样结果与分析
分析样品：大米草叶片1.5g(父本)、培矮64S/04141叶片1.0g(母本)、F132、F134再生叶片1g。根据南京大学生物技术研究所对样品进行水稻与大米草远缘杂交后代变异的RAPD分析。分析结果：应用25个RAPD随机引物进行检测，杂交后代中，其中有3个随机引物：S477，S119，S129，其RAPD反应表明，杂交后代与水稻亲本相比，条带有明显差别，说明远缘杂交导致水稻发生了基因重组(见图)。
大米草(父本)×培矮64S/04141(母本)杂交种F132、F134，从细胞学观察看来，杂交减数分裂和有丝分裂常表现不正常，染色体数目和动态很紊乱。
将以大米草为父本、水稻为母本时得到的子一代作为母本、水稻为父本进行杂交得子二代，然后以子二代作为母本、水稻为父本进行杂交得子三代，再将子三代作为母本、水稻为父本进行杂交得开始正常种植的子四代。
将以大米草为母本、水稻为父本时得到的子一代作为母本、水稻为父本进行杂交得子二代，然后以子二代作为母本、水稻为父本进行杂交得子三代，再将子三代作为母本、水稻为父本进行杂交得开始正常种植的子四代。

Claims (3)

1、一种海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法，其特征是：以大米草为父本、水稻为母本，或以大米草为母本、水稻为父本，进行杂交，杂交时包括下列步骤：
(1)以大米草为父本、水稻为母本时：
将水稻用温汤去雄法去雄，具体操作时，用不锈钢盆作为去雄盆，盆底钻有4～6个能穿过稻穗的孔，将稻穗穿过盆底孔，稻穗杆与孔之间涂橡皮泥防漏，并将去雄盆挂在高度可调的三角架上，用去雄盆盛满温水，将水温控制41-42℃，选择母本穗部露出叶鞘2/3～3/4以上的稻穗浸入温水中处理10～11分钟，拿去橡皮泥，取出稻穗；然后，过20～30分钟，切除未开的颖花和已开颖的花药，去除花药时，同时剪去颖壳上部的1/3，去雄剪颖后用玻璃纸袋套上稻穗隔离，挂牌编号，然后剪取大米草的花药穗进行授粉，授粉时，将大米草同株多个花药穗一起授粉，且第二天上午仍用同株大米草花药穗再次授粉，封好套袋口，挂牌上标明父母本名称、杂交日期，稻株穗结籽得子一代种子；
(2)大米草为母本、水稻为父本时：
将大米草进行去雄处理，去雄方法，选取大米草花穗，大米草开花先柱头外露，在发现有3-5对花柱外露时，用镊子轻轻自上而下剖开小花，把花药去除，套袋隔离，挂牌编号，将父本稻穗整个剪下，插在烧杯中，杯中盛水，带到母本大米草植株处，随用随取，选取开好花的稻穗，将水稻雄粉授在去雄的大米草穗上，授粉采取连续直接授粉方法，即花柱大部分外露时用水稻雄粉授粉一次，第二天再授粉一次，封好套袋口，挂牌上注明父母本名称、杂交日期，大米草结籽得子一代种子。
2、根据权利要求1所述的海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法，其特征是：所用大米草是用下列方法得到的大米草：从海滩挖取的深度25～35厘米的大米草块，用海水洗净泥砂后，选取其中的大米草苗，栽植在瓷缸内，并浇足1％的盐水，以后每隔15天浇一次1％的盐水，培育成所需大米草。
3、根据权利要求1或2所述的海涂大米草与水稻属间远缘杂交育种方法，其特征是：将子一代作为母本、水稻为父本进行杂交得子二代，然后以子二代作为母本、水稻为父本进行杂交得子三代，再将子三代作为母本、水稻为父本进行杂交得开始正常种植的子四代。
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