CN109121550B - 一种微波等离子体处理的水稻育种方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波等离子体处理的水稻育种方法，将水稻育种材料置于微波等离子体种子处理仪中用合适功率处理，适时种植、筛选，测定不育系的开花习性和抗病性，对比水稻育种材料的产量和品质，根据育种目标选出花期长的不育系材料和抗性好的自交系；自交、回交和测交等常规育种手段，并结合分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，选育得到稳定的水稻父母本材料；父母本杂交测配而得到水稻杂交组合，通过抗性鉴定试验及品比试验，最终得到高产水稻新品种。本发明可以延长不育系的开花时间，提高水稻产量和抗性，改善品质缩短育种周期、培育出综合性状优良的水稻新品种。

Description

一种微波等离子体处理的水稻育种方法

技术领域

本发明涉及一种水稻育种方法，特别涉及一种微波等离子体处理的水稻育种方法，属于农业领域。

背景技术

水稻(Oryza sativa)为一年生，禾本科植物，单子叶，性喜温湿，成熟时约有1米高，叶子细长，约有50到100厘米长，宽约2到2.5厘米。稻米的花非常小，开花时，主要花枝会呈现拱形，在枝头往下30到50毫米间都会开小花，大部分自花授粉并结种子，称为稻穗。一般稻粒的大小在5到12毫米长，2到3毫米厚度。水稻是单花单实的自花授粉作物，杂种优势利用离不开雄性不育系，我国杂交稻育种的成功开始于三系不育系，但发展多年以后就出现了波折：忽视了对不育系的改良，过高地估计了单一的野败细胞质可能产生的遗传脆弱性，经过保持系选育、不育系转育、配置优良组合育种周期长，还不一定能保证不育系性状改良和配合力提高的有效性等问题。三系不育系的选育都取得了局部的改良，但多数存在一些明显的缺点：如米质与抗性不协调，或者配合力好而制种困难，还有穗上发芽严重和较强的落粒性等。水稻是我国的主要粮食作物，我国13亿人口的半数以上是以它为主食，是世界上最大的水稻生产及消费国。随着人口的增长，和土地面积的减少，对水稻育种提出更高要求，必须不断的提高有限土地耕种水稻的产量，所以，要求聚合有利基因，力求米质、抗性和后代株型表现上同时都有改进，进一步的目标是注意延长不育系的生育期，缩小父母本的播差期，减小制种田父母本花期不遇的风险，还要在改善不育系经济性状的同时着力提高柱头外露率，使制种产量有可能较大幅度提高，创建新的不育系杂种优势群。

等离子体不是一种特殊物质，它只是物体存在的一种状态，即物质存在的第4种状态(物质第4态)，是一种能量更高的物质聚集态。等离子体已在能源、材料、信息、空间以及环境等领域高新技术产业的开拓与发展中产生重大影响。等离子体处理农作物种子也成为近几年在太空育种基础上开展的一个新兴的生物工程研究方向,现已发展成为一项系统的离子束生物技术。该技术具有生理损伤小、成本低、无污染、操作简便等特点，主要用于研究等离子体与作物种子相互作用的机理和等离子体诱变育种、诱变机制、促长增产等。如张丽华等人在等离子体种子处理对水稻生物学性状及产量的影响的研究中表明，等离子体处理作物干种子,在一定剂量范围内能够较大幅度提高种子活力,从而提高产量；方晓宇在等离子体种子处理机处理水稻种子的效果的研究中表明，使用等离子体种子处理机处理水稻种子，可以提高水稻秧苗素质，促进生育进程、提高产量。在诸多等离子技术体系中，微波等离子体技术是在20世纪70年代中期才发展起来的高新技术，微波等离子体形成的原理是在一定频率的微波磁场作用下，使充斥在微波反应腔中的气体电离而形成等离子体，目前主要应用在对木材，如竹材、柚木、杉木、云南松木等材料的表面改性方面，以及在合成金刚石、光线设备、沉积各种新型薄膜材料、材料表面处理等得到广泛应用。将该技术应用于农业育种在国内外尚属新的研究领域，目前尚未见微波等离子体在水稻育种方面的研究和报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种微波等离子体处理的水稻育种方法。本发明首次将微波等离子体处理技术应用于植物育种中，发明人通过研究发现，对于水稻育种材料，采用一定条件的微波等离子体处理后，水稻种子中的自由基增加量要比现有技术中常用的育种技术冷等离子体处理或离子频射处理后的自由基增加量要小，即本发明对水稻种子的伤害较小；此外，发明人还发现，通过一定条件的微波等离子体处理水稻育种材料，可以延长不育系的开花时间，提高水稻产量和抗性，改善品质缩短育种周期等，因此，本发明为培育出综合性状优良的水稻新品种提供了新方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种微波等离子体处理的水稻育种方法，包括，

(1)对水稻原材料进行微波等离子体处理；

(2)根据育种目标选出花期长的不育系材料和抗性好的自交系材料；

(3)通过自交、回交和测交育种手段，并结合分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，选育得到水稻稳定父母本材料；

(4)父母本杂交测配而得到水稻杂交组合，通过抗性鉴定试验及品比试验，最终得到高产水稻新品种。

所述微波等离子体处理的条件为：大气压开放式，在500-800W的处理功率下对原材料进行3-10秒的非电离幅射处理，处理以空气为工作介质。

优选地，所述水稻原材料为水稻种子。

优选地，所述水稻原材料在微波等离子体种子处理仪内进行。

进一步优选地，所述微波等离子体处理功率为550-700W，处理时间为3-8s。

进一步优选地，所述微波等离子体处理功率为600-650W，处理时间为4-6s。

进一步优选地，所述微波等离子体处理功率为600W，处理时间为5s。

优选的，所述的水稻品种优选：圣稻16，山东601，圣稻17，圣稻2572，新丰6号，五粳04-136，新粳优1号，五优156，中2优280，丰源优299。

优选地，所述目标性状为与未经任何处理的同一批相同品种的水稻亲本材料相比具有下列性状：发芽能力提高、花期提前/延长、产量提高、品质改善和抗逆性增强。

本发明还提供了上述育种方法在水稻育种中的应用。

本发明提供的方法是将种子经过微波等离子体处理，微波等离子体可以穿透种子表皮，作用于复杂的生物大分子，吸收的部分能量迫使电子产生振动而转化为热能，微波等离子体激发了生物大分子活性，被激活的潜在基因通过一个生长季的充分表达，产生一定的记忆性，刻在种子里，在下代种植之后，仍然积极表达，具有活力延续性。该方法突破了传统水稻育种低水平重复、同质化严重和转基因育种潜在危险，以及太空育种经济投入巨大的缺点，可以缩短水稻育种周期，在水稻育种方法和手段上具有先进性。

以往在农作物上使用的冷等离子体或离子频射，都是通过射频电源来产生等离子体，由于射频电源的能量较低，通常情况下产生的等离子体不够稳定，需要在真空密闭、惰性气体介质下才能产生稳定的等离子体，设备比较昂贵，种子处理起来也比较繁琐，不利于广泛推广。而微波等离子体，由于微波电源的能量较高，在大气压下、空气介质下即可产生稳定的等离子体，由于产生的等离子体能量比较大，可以更好的穿透种皮较厚的作物种子；设备结构相对简单，操作也简便，利于大范围推广。

本发明有益效果：

1、现有技术微波等离子体技术广泛应用于化工化学等行业，主要是表面处理和改善。本发明首次将微波等离子体处理技术应用于植物育种中，通过研究发现，一定条件的微波等离子体处理水稻材料后，自由基振幅较低，降低了种子老化速度，提高了种子的寿命。通过进一步研究发现，该方法可以同时使花期提前、不育系花期增加、抗病能力增强、精米率和粗蛋白含量提高、休眠期降低，可见，合适条件的微波等离子体种子处理可用于水稻性状某些目标性状的改良以及缩短育种周期。

2、本发明突破了传统水稻育种低水平重复、同质化严重和转基因育种潜在危险，以及太空育种经济投入巨大的缺点。

3、微波等离子体处理工作介质是空气，而冷等离子体种子处理和离子频射处理种子用氦气作为介质；微波等离子体处理是在开放条件下产生稳定的等离子体，而冷等离子体种子处理和离子频射处理是在真空密闭条件下才能产生稳定的等离子体。相比较，本发明技术不仅对水稻种子伤害较小，而且更节省资源，工艺简化，操作简单。

4、合适功率微波等离子体种子处理改良了水稻性状某些目标性状，缩短育种周期，具体表现在抗性和不育系性状改良，产量、制种产量提高等。

5、本发明方法微波等离子体处理功率人为可控，可以找到控制不育性的基因，通过反复试验得出改良自交系的最佳的处理功率，能更好地满足选育制种产量高、改良目标性状水稻品种的需求，进一步缩短水稻育种周期，选育出更为优良的水稻新品种。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为水稻新品种选育示意图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

圣稻16，2009年在山东通过审定，审定编号：鲁农审2009027号，公众可从山东省种子有限公司获得。

山东601，2009年在山东通过审定，审定编号：鲁农审2009029号，公众可从山东省种子有限公司获得。

圣稻17，2011年在山东通过审定，审定编号：鲁农审2011016号，公众可从山东省种子有限公司获得。

圣稻2572，2011年在山东通过审定，审定编号：鲁农审2011017，公众可从山东省种子有限公司获得。

新丰6号，2012年在河南通过审定，审定编号：豫审稻2012005，公众可从山东省种子有限公司获得。

五粳04-136，2012年在河南通过审定，审定编号：豫审稻2012002，公众可从山东省种子有限公司获得。

新粳优1号，2011年在河南通过审定，审定编号：豫审稻2011001，公众可从山东省种子有限公司获得。

五优156，2012年通过国家审定，审定编号：国审稻2012017，公众可从山东省种子有限公司获得。

中2优280，2011年通过国家审定，审定编号：国审稻2011002，公众可从山东省种子有限公司获得。

丰源优299，2004年通过湖南审定，审定编号：湘审稻2004011，公众可从山东省种子有限公司获得。

实施例1、一种微波等离子体处理的水稻育种方法

利用微波等离子体处理的水稻育种方法，可以得到发芽指标提高、制种产量提高、产量提高、品质改善和抗逆性增强的水稻新品种，具体包括如下步骤：

(一)搜集符合选育目标的育种材料作为重点选育对象，圣稻16，山东601，圣稻17，圣稻2572，新丰6号，五粳04-136，新粳优1号，五优156，中2优280，丰源优299等水稻种子作为试验对象。

(二)将水稻亲本种子置于微波等离子体种子处理设备的反应腔中，用500-800W供电功率进行3-10s非电离辐射处理，处理的必要条件是空气为工作介质。

(三)将微波等离子体处理的育种材料在低温干燥条件下保存，试验比较得到最佳处理功率600W，时间5s。

(四)田间种植筛选，测定水稻不育系的开花习性和抗病性，对比水稻育种材料的丰产性和配合力。

(五)单株种植时将经过步骤(三)处理的和与未经过任何处理的步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批育种材料(种子)同时分区播种，进行对比试验，观测农艺性状和变异系数，进行单株选择，选出优良变异的不育系和自交系。

与未经过任何处理的步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批种子进行培养得到的水稻(对照)相比，经过微波等离子体处理的种子进行培养得到的水稻实现了对应亲本材料的产量提高、品质改善和抗逆性增强、促生复壮、发芽能力提高、不育系花期变长。

1、微波等离子体处理对水稻开花期和抗病性状的影响如表1所示。

表1不同微波等离子体处理条件下的水稻不育系开花期和稻瘟病

表1中，水稻开花期提前天数、不育系开花时间增加天数表示：微波等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批育种材料相比，所有品种，开花期的提前时间，表1看出，由经过微波等离子体处理的种子得到的水稻植株，当处理功率为600W，处理时间5s，开花期提前2-3天，不育系开花时间增加2-3天。

水稻植株稻瘟病减少比率表示：微波等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批育种材料相比，所有品种，植株稻瘟病减少比率。例如，处理功率为600W，处理时间5s，植株稻瘟病降幅最大的是中2优280品种，为30.33％，降幅最小的是新粳优1号品种，为18.12％；证明由经过微波等离子体处理的种子得到的水稻材料的植株抗病性明显改善。

2、微波等离子体处理对水稻产量和品质性状的影响如表2所示。

表2不同微波等离子体处理条件下水稻产量、精米率、粗蛋白质含量

表2中，水稻产量、精米率、粗蛋白含量提高比率表示：微波等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批育种材料相比，所有品种，水稻产量、精米率、粗蛋白含量提高的幅度。例如，处理功率为600W，处理时间5s，水稻产量提高比率最高的是丰源优299品种，为12.45％，最低的是圣稻2572品种，为8.65％。处理功率为600W，处理时间5s，精米率提高比率最高的是圣稻17品种，为10.53％，最低的是山东601品种，为6.88％。处理功率为600W，处理时间5s，粗蛋白提高比率最高的是圣稻16品种，为5.11％，最低的是五粳04-136品种，为3.78％。表2表明，当处理功率为600W，处理时间为5s，由经过微波等离子体处理的种子得到的水稻产量比对照高出8.65-12.45％，精米率比对照高出6.88-10.53％，粗蛋白含量比对照高出3.78-5.11％，实现了水稻亲本材料的产量和品质性状改良。

3、微波等离子体处理对水稻新种子的休眠的影响如表3所示。

表3不同微波等离子体处理条件下水稻种子的休眠

表3中新收种子休眠下降的比率表示：微波等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批育种材料相比，休眠种子下降的幅度。例如，处理功率为600W，处理时间5s，休眠下降的比率最高的是新丰6号品种，为7.15％，最低的是山东601品种，为5.67％。说明经过微波等离子体处理后，新收水稻材料休眠降低，有利于发芽出苗快且整齐，缓解水稻育种材料的发芽问题。

4、微波等离子体处理与冷等离子体处理对水稻种子自由基的影响如表4所示。

表4不同处理条件下水稻的自由基振幅

表4中，用电子顺磁共振波谱仪可以测得，水稻种子存在稳定的自由基信号，自由基振幅高度对应自由基含量；自由基存在是引起种子损伤的重要原因。而微波等离子体和冷等离子体处理后，自由基信号振幅均变强；自由基振幅提高的比率表示微波等离子体处理的育种材料与未经过任何处理的、步骤(一)选定的相应的水稻品种的同一批育种材料相比，自由基提高的幅度。例如，处理功率为600W，处理时间5s时，微波等离子体处理自由基振幅提高比例5.30-7.19％，而冷等离子体处理水稻种子自由基增幅为15.82-30.32％；离子射频处理水稻种子自由基增幅为11.75-18.45％，说明微波等离子体处理比冷等离子体处理、离子射频处理产生较少水稻自由基，有利于目标亲本的选育。

(六)以步骤(五)得到的不育系和高抗病性的自交系，通过自交、回交和测交育种手段，并结合分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，选出优势强、符合选育目标的自交系作为杂交种的父母本，进行杂交授粉而得到优良杂交种。

利用分子标记技术进行辅助育种，可以评估品种纯度，分析农艺性状基因，确定自交不亲和位点上的等位基因，用于亲本性状鉴定来辅助育种。

选育方法的主要程序为：原始材料圃、自交系选育圃、杂交圃、鉴定圃、品比圃。

①原始材料圃。种植供选择自交系用的基本材料，为早代材料圃。微波等离子体处理后的品种和对应的未经过处理的亲本分别种在其中，根据目标性状选择优良株系。

②自交系选育圃。包括不育系、具有不同株型、不同抗性、不同生育期等稳定或不稳定自交系，通过群体内植株自交，回交、测交等选择优良自交系，形成具有一种或几种丰产、抗性好、配合力高等优良性状的自交系。允许用自交杂交概念进行水稻群体改良，结合点有自交、配合力、杂交表现和主要农艺性状。自交和配合力测定有利于群体改良，将水稻群体改良和杂交种选育紧密结合。在群体改良过程中，每一步都应根据育种目标的要求，为杂交种选育服务。

③杂交圃。准备作为父母本的材料种植在此圃，进行杂交授粉。

④鉴定圃。种植杂交圃选育出的优良组合，在鉴定圃内进行初级的产量比较、杂交组合纯度鉴定，同时进行早熟性调查和抗性鉴定，进行供试品种初选。

⑤品比圃。种植鉴定圃选出的优良组合。品系比较试验在较大面积上进行的更为精确、更有代表性的鉴定试验，对新品系的纯度、丰产性、早熟性、稳定性、抗逆性等育种目标进行更为详细的鉴定。

这样将步骤⑤获得的杂交种进行区域试验、生产示范和品质检测等，之后进行品种技术鉴定，新品种选育工作完成。

通过以上步骤得到发芽能力提高、制种产量高、品质改善和抗逆性增强的稳产水稻新品种，符合预期标准。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波等离子体处理的水稻育种方法，其特征在于，包括，

(1)对水稻原材料进行微波等离子体处理；

(2)根据育种目标选出花期长的不育系材料和抗性好的自交系材料；

(3)通过自交、回交和测交育种手段，并结合分子标记和同工酶鉴定手段进行辅助育种，选育得到水稻稳定父母本材料；

(4)父母本杂交测配而得到水稻杂交组合，通过抗性鉴定试验及品比试验，最终得到高产水稻新品种；

其中，所述水稻原材料为水稻种子；

所述微波等离子体处理的条件为：大气压开放式，在500-800W的处理功率下对原材料进行3-10秒的非电离辐射处理，处理以空气为工作介质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水稻原材料在微波等离子体种子处理仪内进行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波等离子体处理功率为550-700W，处理时间为3-8s。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述微波等离子体处理功率为600-650W，处理时间为4-6s。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述微波等离子体处理功率为600W，处理时间为5s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水稻品种优选：圣稻16，山东601，圣稻17，圣稻2572，新丰6号，五粳04-136，新粳优1号，五优156，中2优280，丰源优299。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标性状为与未经任何处理的同一批相同品种的水稻亲本材料相比具有下列性状：发芽能力提高、花期提前或延长、产量提高、品质改善和抗逆性增强。

8.权利要求1～7所述方法在水稻育种中的应用。

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