作物育種學總論—華南農業大學農學院作物育種系第1節植物雄性不育遺傳基礎第2節“三系”的選育與雜交種的配制第3節核不育的遺傳與應用第十一章雄性不育性其雜種品種的選育不育性（sterility）：是指生物個體不能產生有功能的配子或不能產生在一定條件下能夠存活的合子的現象。雄性不育性（malesterility）：由于雄蕊退化或變形、花藥異常、孢子囊退化、小孢子退化、花粉功能性缺陷等導致的不育性。

第1節植物雄性不育的遺傳基礎雄性不育性在植物界是很普遍的，18個科的150多植物中存在。如水稻、玉米、高梁、大小麥、甜菜、油菜等。在海南三亞發現野敗現場與助手尹華奇（左一）、李必湖（右一）在安江農校試驗田

水稻野敗不育株的發現雄性不育株農藝性狀差需要改良轉育1.雄性不育利用歷史“雜交水稻之父”——袁隆平院士

1964年，他在我國率先開展水稻雜種優勢利用研究，并提出通過培育雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢復系的三系法途徑來培育雜交水稻，以大幅度提高水稻產量。

1972年與同事們一起率先育成我國第一個實用的水稻雄性不育系及其保持系“二九南1號”，并于1973年實現“三系”配套，1974年選育成第一個強優組合“南優2號”，1975年研究出一整套生產雜交種子的制種技術，1976年開始，雜交水稻在全國大面積推廣，比常規稻平均增產20%左右。

不育系珍汕97A的轉育：野敗株材料雖然不育但農藝性狀不良，用農藝性狀優良可育材料（如珍汕97）來改良。

WA不育株S(rr)×

珍汕97N(rr)

↓回交↓?

珍汕97A珍汕97B

不育系S(rr)保持系N

(rr)

江西農科院顏龍安中國工程院院士“雜交水稻之母”福建農業科學院謝華安中國科學院院士珍汕97A×IR26(恢復系)è汕優6號(具有雜種優勢)珍汕97A×明恢63(恢復系)è汕優63(具有雜種優勢)“雜交水稻之父”在雜交稻領域，三大細胞質雄性不育類型。1）野敗型(袁隆平)2）紅蓮型(朱英國)3）包臺型(日本)而且只有“野敗型”和“紅蓮型”在生產中大面積推廣種植，被冠以“東方魔稻”的美稱。1972年起，利用海南紅芒野生稻與常規稻雜交選育的秈稻配子體雄性不育系類型——紅蓮型。武漢大學中國工程院院士朱英國

自1976年以來，到目前為止，雜交稻累計增產5200億公斤，如果按照每年每人消耗500斤計算，那就等于他解決了20億人口一年的吃飯問題。一粒種子改變了世界2000年，超級雜交稻實現百畝示范片畝產700公斤的第一期目標2004年，超級雜交稻實現百畝示范片畝產800公斤的第二期目標2011年，超級雜交稻實現百畝示范片畝產900公斤的第三期目標2013年，超級雜交稻實現百畝示范片畝產1000公斤的第四期目標……水稻的綠色革命：50年代，半矮桿水稻品種的育成使水稻大幅度增產；70年代，三系雜交稻的推廣利用實現了水稻單產的第二次飛越。90年代，開始水稻新株型育種（超級稻育種），有望實現第三次飛越。水稻CMS的研究與應用出了5個院士小麥的半矮稈育種獲得諾貝爾和平獎綠色革命之父，諾貝爾和平獎獲得者，諾爾曼·布勞克(NormanBorlaug)“東方魔稻”雜交優勢的利用，能否創造第二個諾貝爾和平獎？1).核不育型：

是一種由核內染色體上基因所決定的雄性不育類型。遺傳特點：多數核不育型受一對隱性基因(msms)所控制，呈簡單的孟德爾式的分離。純合體(msms)表現為雄性不育。敗育過程發生于花粉母細胞的減數分裂期間，不能形成正常花粉。故敗育十分徹底，可育株與不育株有明顯界限。2.雄性不育(malesterility)的類別∵無保持系，用普通遺傳學的方法不能使整個群體保持這種不育性，這是核不育型的一個重要特征。∴核不育的利用有很大的限制，msmsMsmsorMsMs2).細胞質雄性不育型(cytoplasmicmalesterilityCMS)⑴.概念：由細胞質基因和核基因互作控制的不育類型。⑵.花粉敗育時間：單子葉植物的花粉敗育多數發生在減數分裂以后的雄配子形成期；雙子葉植物敗育發生在減數分裂過程中或在此之前。CMS的表現一般比核不育要復雜。⑶.遺傳特點：不育基因位于細胞質，恢復基因位于細胞核。

胞質基因為S：不育（細胞質含不育基因）；胞質基因為N：可育（細胞質不含不育基因）；核基因為R：能夠恢復不育株育性。核基因為r：不能恢復不育株育性；3.植物質核不育性的遺傳基礎與利用1）.孢子體不育：是指花粉的育性受孢子體(即植株)基因型所控制，而與花粉本身所含基因無關。*孢子體基因型為rr

è花粉全部敗育；*孢子體基因型為RR

è花粉全部可育；*孢子體基因型為Rr

è產生的花粉中有R也有r,但均可育。

rrRR/Rr如：水稻野敗型不育系等。雜合基因型Rr

植株的自交后代花粉育性呈現可育:不育=3:1分離（其中RR和Rr植株的花粉可育，rr

植株的花粉不育）3.1不育類型2）.配子體不育：花粉育性直接由花粉本身的基因所決定。配子體內核基因為Rè可解除胞質不育基因毒性，該雄配子可育配子體內核基因為rè不能解除胞質不育基因毒性，該雄配子不育RRRr雜合基因型Rr

植株的自交后代中，花粉育性呈現

全可育:半不育=1:1的分離（其中RR植株花粉全可育；Rr

植株花粉半不育，即帶R基因的花粉可育，帶r的花粉不育）3.2

質-核互作雄性不育性的遺傳方式

質核型不育性是由不育的細胞質基因和相對應的核基因所決定的。當胞質不育基因S存在時，核內必須有相對應的一對(或一對以上)隱性基因rfrf,個體才能表現不育。當核內為顯性基因Rf時，能使雄性不育恢復為可育，稱為恢復基因。

不育基因型：S（rfrf），具有這種基因型的品系稱為雄性不育系，簡稱不育系。

可育基因型：N（RfRf）、N（Rfrf）、N（rfrf）、

S（RfRf）、S（Rfrf）以不育個體為母本，分別與五種可育型雜交(1)S(rr)×N(rr)→S(rr)(2)S(rr)×N(RR)→S(Rr)

S(rr)×S(RR)→S(Rr)(3)S(rr)×N(Rr)→S(Rr)+S(rr)

S(rr)×S(Rr)→S(Rr)+S(rr)恢復系保持系不育系不育系質核型不育性遺傳的示意圖3.3CMS雄性不育與恢復性機理水稻BT-CMS型不育系的線粒體atp6基因的下游區域有一個分子內重組引起的嵌合序列Orf79，是一個與CMS密切相關的毒蛋白。許多證據表明CMS是由線粒體基因組決定的：玉米CMS－T的mtDNA有一個特有的高豐度轉錄本基因T－urf13，它是一個嵌合基因，是線粒體分子間和分子內經多次重組產生的。該基因的產物廣泛分布于CMS-T所有線粒體內膜，是非必需的結構蛋白矮牽牛CMS有關基因pcf也是一個嵌合基因，其表達產物也是線粒體非必需多肽已克隆的CMS恢復基因（Rf）這些基因主要包括:玉米的Rf2基因

-----乙醛脫氫酶基因

(ALDH)矮牽牛的基因Rf-PPR592-----含PPR結構域的蛋白蘿卜的Rfo基因

-----含PPR結構域的蛋白水稻的Rf-1基因等

-----含PPR結構域的蛋白質-核不育型的敗育和育性恢復機理Orf79（毒蛋白）Rf-1aCMSRf-1b降解切割MalesterilityPrematurePCDintapetumMitochondrionWA352Cytochrome

c

oxidase

WA352OsCOX11NucleusCytosolOsCox11FertilityrestorationWA352ROSCytochromecDenovogeneoriginationRf3RF3RF4Rf4Abnormaltapetumdegeneration(MMCstage)RF3RF4OsCOX11Luoetal.2013,NatureGenetics第2節“三系”的選育與雜交種的配制不育系×保持系S(rfrf)N(rfrf)不育系S(rfrf)××恢復系S(RfRf)或N(RfRf)雜交種S(Rfrf)×不育系繁殖田制種田利用雄性不育“三系”培育雜交種（三系配套）1不育系的選育方法（1）利用天然不育突變體選育（2）回交轉育法（3）種間、類型間雜交（4）理化因素誘變不育系和保持系的選育1)對不育系的要求2)選育方法1)對不育系的要求（1）不育度高且穩定

不育度達到或接近100%。

（2）具良好的開花習性：花期長，每朵花開放時間長，柱頭外露等，有利于接受花粉，提高制種產量。

（3）綜合性狀良好，配合力好：易配制出強優勢組合。1)對不育系的要求(1)利用天然不育突變體

①尋找天然不育株：1970年，李必湖在海南崖縣南紅農場的普通野生稻群落中，發現一株花粉敗育型育性不育株—“野敗”。2)選育方法

②測交篩選保持系：將野敗通過無性繁殖，分發到30多個協作單位，在短期內用1萬多個品種測交找保持系。湖南：測交731個品種，624個保持較好；江西萍鄉農科所：珍汕97，二九矮4號具有很好的保持能力。(1)利用天然不育突變體

野敗×二九矮4號

F1×二九矮4號

B1F1×二九矮4號

B2F1×二九矮4號

B3F1×二九矮4號

B4F1二九矮4號

二九矮A二九矮BS(rfrf)N(rfrf)×××××選不育度高，且像父本的植株回交90%全不育，10%高度不育

③

回交核置換：（2）回交轉育法甲不育系乙品種S(rfrf)N(rfrf)×F1S(rfrf)N(rfrf)×……S(rfrf)N(rfrf)回交若干次×質為甲的核為乙的乙不育系乙保持系同型保持系：與特定不育系有親緣關系，互為相似體；異型保持系：與特定不育系沒有親緣關系，對其雄性不育有保持能力；（2）回交轉育法（3）種間類型間雜交種間、類型間雜交，又叫核代換法：一種或類型S(RfRf)；另一種或類型N(rfrf)S(RfRf)×N(rfrf)S(Rfrf)×N(rfrf)……S(rfrf)N(rfrf)×RAB回交若干代×西非高粱和南非高粱雜交選育不育系西非高粱F1S(Rf1rf1Rf2rf2)S(Rf1Rf1Rf2Rf2)南非高粱N(rf1rf1rf2rf2)××N(rf1rf1rf2rf2)B1F1S(rf1rf1rf2rf2)全不育S(Rf1rf1rf2rf2)+S(rf1rf1Rf2rf2)半不育S(Rf1rf1Rf2rf2)可育（4）理化因素誘變①細胞質基因突變：正常株N(rfrf)S(rfrf)突變特點是在同一群體內易找到能保持這種雄性不育性的正常株系而較難找到恢復系。正常株N(rfrf)不育株S(rfrf)突變×正常株N(rfrf)不育系S(rfrf)×遠緣品種N(RfRf)S(Rfrf)可育（4）理化因素誘變②核基因突變：N(RfRf)S(Rfrf)突變S(rfrf)S(Rfrf)S(Rfrf)×不育特點是易找到恢復系，不易找到保持系，要到進化程度高的遠緣或近緣種中找。2恢復系的選育方法

（1）恢復度高，且穩定；

（2）具有良好的散粉習性，花粉量大。

（3）農藝性狀優良，配合力好。1）對恢復系的要求2恢復系的選育（1）測交篩選法；

①用一批品種分別與不育系測交；②考察F1的育性及對照優勢；2）選育方法例子：

野敗不育系，用1萬以上品種測交，篩選出：

100多個恢復系能力好的品系：

IR24、IR26等；

優勢大的品系有：泰引2號等；

恢復力最強的為：泰引1號；

恢復力強且優勢大：IR24、IR26、IR66等2.恢復系的選育

（2）回交轉育；

現有品種有些恢復力強，但配合力差，有些配合力好，恢復力差，回交轉育就是把優良的品種中沒有恢復能力的父本轉育成恢復系。2）選育方法2.恢復系的選育

①在正常細胞質基礎上轉育恢復力強的品種被轉育品種N(RfRf)N(rfrf)×F1

N(Rfrf)N(rfrf)×B1F1N(Rfrf)N(rfrf)×…BnF1×BnF2BnF3×逐代測交鑒定恢復力選擇無分離、恢復力強的株系N(rfrf)

①在正常細胞質基礎上轉育恢復力強的品種被轉育品種N(RfRf)N(rfrf)×F1N(RfRf)N(rfrf)×B1F1N(Rfrf)N(rfrf)×…BnF1×BnF2BnF3×逐代測交鑒定恢復力選擇無分離恢復力強的株系②在不育細胞質基礎上的轉育方法任一不育系任一恢復系S(rfrf)N(RfRf)×S(Rfrf)被轉育品種N(rfrf)×…BnF1×BnF2BnF3×回交4~5次S(RfRf)任一不育系任一恢復系S(rfrf)N(RfRf)×S(Rfrf)被轉育品種N(rfrf)×…BnF1×BnF2BnF3×回交4~5次S(RfRf)具有不育系的胞質，恢復系的恢復基因，和輪回親本的優良性狀②在不育細胞質基礎上的轉育方法

若恢復系本身具有不育細胞質，則可直接與被轉育品種雜交，回交轉育任一恢復系被轉育品種S(Rfrf)N(rfrf)甲×…BnF1×選擇散粉好，又象甲的S(Rfrf)N(rfrf)×甲恢復系

（4）雜交選育

a.選配親本，雜交其中之一必須是恢復系；

b.從F1開始根據恢復力和育種目標進行多代單株選擇；

c.在適當的世代與不育系測交，測定恢復力和配合力。2）選育方法2.恢復系的選育

雜交選育的幾種情況：

恢復系×恢復系：通過基因重組，累加恢復基因，選育恢復力更強的新恢復系；

恢復系×品種：將恢復力高而農藝性狀欠佳的恢復系與農藝性狀優良的品種雜交，選育出恢復力高而農藝性狀優良的新恢復系；

不育系×恢復系：以不育胞質偉背景，選育出綜合父母本優良性狀且恢復力高的新恢復系。2.恢復系的選育Advantage&Disadvantageof3-linehybridricesystemAdvantagesStablemalesterilityDisadvantagesLimitgermplasmsource(CMS,Restorer)DominantCMScytoplasminlargearea(WA)

OnemorestepforparentalseedproductionTimeconsumingofCMSbreeding1光、溫敏核不育材料的發現

1973年，石明松在晚粳農墾58中發現“湖北光敏核不育水稻－“農墾58S”，核不育系的利用受到極大的關注。﹡水稻的光敏核不育材料：

長日照條件下為不育(＞14h，制種)；

短日照條件下為可育(＜13.75，繁種)。﹡水稻的溫敏核不育材料：

＞28℃，不育；

＜23-24℃育性轉為正常?；诠饷艉瞬挥乃緝上惦s交制種法第3節核不育的遺傳與應用2光、溫敏核不育材料的遺傳基礎●不育系可一系兩用：油菜、棉花、水稻、向日葵等植物，不育系既能自交結實繁殖自身，又能表現完全雄性不育用作制種工具，和恢復系配制雜交種。3光、溫敏核不育材料的利用TGMSandtwo-linehybridBasedonthediscoveryofP(T)GMSmutantMalesterilitycontrolledby1or2pairsofrecessivegene(s)FertileS-lineMultiplicationCriticalFertilityPointCriticalSterilityPointReproductiveUpperLimitReproductiveLowerLimitSterileF1SeedProductionPartialSterilityModelofSterility/FertilityExpressionforTGMSRiceTemperaturelowhighAdvantage&Disadvantageof2-linehybridricesystemAdvantagesSimplifiedprocedureofhybridseedproductionMultipleanddiversegermplasmavailableasparentsAnylinecouldbebredasfemale97%(2-line)vs5%(3-line)ofgermplasmasmaleIncreasedchanceofdevelopingdesirable&heterotichybridsMultiplecytoplasmcoursesasfemaleparentsDisadvantagesEnvironmentaleffectonsterilitycouldcauseseedpurityproblemIndicaxjaponicaIndicaxjavanicaj