专利名称：快速有效培养糯稻新品种和杂交稻的方法
技术领域：
本发明涉及农作物育种领域，具体地，涉及一种快速有效培养糯稻新品种和杂交稻的方法，还涉及一种定向改善禾谷类作物选定性状及转育不育系的方法及其应用。
背景技术：
禾谷类作物是我国的主要粮食作物，包括小麦、大麦、黑麦、燕麦、水稻、高粱等，在植物学上均属禾本科草本植物。水稻是重要的禾谷类作物，有籼粳之分，籼包括籼稻和籼糯，粳包括粳稻和粳糯。稻米供人类食用的主要部分是胚乳中的淀粉，淀粉有直链淀粉和支链淀粉。糯稻与非糯稻的区别在于胚乳的淀粉组成比例不同，非糯型的水稻直链淀粉含量较高，在10-30wt%之间；糯型的水稻直链淀粉含量则低于3wt%。在表观上非糯型的米粒色泽呈透明或浅透明 状，用碘-碘化钾对米粒横切面进行染色，呈兰色；糯型的米粒色泽呈蜡质状，用碘-碘化钾染色，呈橙黄色。水稻胚乳中的直连淀粉含量和胶稠度是稻米品质评价中的重要指标。经典遗传学研究表明无论籼糯还是粳糯，其糯性主要是受单基因控制；遗传上非糯是野生型，表现为显性；糯属突变型，遗传上表现为隐性；糯与非糯杂交，杂种籽粒全部为非糯。由于，糯性子粒呈蜡质状，所以，把这个基因称之为蜡质基因(waxy，WX)。分子遗传学研究表明蜡质基因是稻米胚乳淀粉合成的主要基因，它所编码的结合在淀粉粒上的淀粉合成酶(granule bound starch synthase,GBSS)负责直链淀粉合成。一旦该基因发生结构改变，就可能引起转录和翻译的错误，使淀粉合成酶失活或者活性下降，从而导致胚乳中直链淀粉含量下降，支链淀粉比例增加，子粒就呈蜡质状，糯性增加，就成为糯米。糯米是酿造和食品工业的重要原料，对人们的日常生活有着重要影响。江、浙、皖、沪是粳型糯稻的重要栽培区，常年种植面积为三、四百万亩以上，然而糯稻种植地分散，面积不集中，因此糯稻产量很低，品种较少。随着市场经济的发展和人民生活水平的提高，人们对糯米的产量和品质也有更高的要求，糯稻的品质改良备受关注。因此，本领域迫切需要开发新的培养糯稻新品种和杂交稻的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速有效培养糯稻新品种和杂交稻的方法。本发明的另一目的是提供一种定向改善禾谷类作物选定性状和转育不育系的方法以及一种使用上述方法获得的选定性状被改善的植物细胞。在本发明的第一方面，提供了一种对禾谷类作物的选定性状进行定向改善的方法，所述方法包括步骤(a)用乙基甲烷磺酸或其盐处理所述作物的种子；(b)对经步骤(a)处理的种子进行种植，获得所述禾谷类作物的植株或作物谷粒；和
(c)对所述的作物植株或作物谷粒进行分析，选出选定性状被改善的植株或谷粒。在另一优选例中，步骤(a)中所述乙基甲烷磺酸或其盐的浓度为0.05-5wt%，较佳地 O. l-2wt %，更佳地 O. 5-lwt % ο在另一优选例中，步骤(a)中乙基甲烷磺酸或其盐处理时间为2-24小时，较佳地5-15小时，更佳地10-12小时。在另一优选例中，步骤(a)中所述的处理是将作物种子与浓度O. 5 〖％的乙基甲烷磺酸盐溶液浸泡12小时。在另一优选例中，所述方法还包括步骤；
(d)用选出的选定性状被改善的作物谷粒进行传代、杂交、和/或育种。在另一优选例中，所述的选定性状包括耐寒性、耐热性、产量、糯性、株高、株型、或千粒重。在另一优选例中，所述的禾谷类作物包括水稻、大麦、小麦、或高粱。在另一优选例中，所述的作物为水稻，并且对收获的谷粒进行直链淀粉含量分析，选出糯性被改善的植株或谷粒。在另一优选例中，所述的糯性被改善的植株或谷粒的直链淀粉含量低于3wt%。在另一优选例中，所述的植株或谷粒的直链淀粉含量低于2. 5wt%，更佳地低于2. Owt % ο在本发明的第二方面，提供了一种植物细胞，所述的植物细胞来源于用本发明第一方面所述方法获得的选定性状被改善的禾谷类作物。在本发明的第三方面，提供了一种用本发明第一方面所述方法获得的选定性状被改善的禾谷类作物的用途，它被用作禾谷类作物不育系的转育。在本发明的第四方面，提供了一种禾谷类作物不育系转育的方法，所述方法包括步骤(a)用本发明第一方面所述的方法对禾谷类作物的选定性状进行定向改善，从而获得选定性状改善的品种；(b)用步骤(a)获得的选定性状改善的品种与原品种的雄性不育系杂交和回交；(C)对收获的回交子粒进行分析，选出选定性状被改善的子粒；(d)种植步骤(C)得到的选定性状被改善的子粒；(e)对步骤(d)的选定性状被改善的不育系进行育性和性状分析，得到雄性不育系;(f)将步骤(d)的雄性不育系与恢复系杂交，得到选定性状改善的杂交种。在本发明的第五方面，提供了一种乙基甲烷磺酸或其盐的用途，它被用作对禾谷类作物的选定性状进行定向改善的诱变剂。应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在
此不再一一累述。
图I显示了寒丰糯稻米粒和寒丰粳稻米粒的色泽差异。
图2显示了寒丰糯稻米粒和寒丰粳稻米粒的碘-碘化钾染色差异。图3显示了 9746糯稻米粒和9746粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图4显示了恢6糯稻米粒和恢6粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图5显示了恢9糯稻米粒和恢9粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图6显示了秀水128糯稻米粒和秀水128粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图7显示了寒丰糯稻米粒和寒丰粳稻米粒的RVA曲线比较结果。图8显示了寒丰糯突变体选育转育过程。图9显示了寒丰糯不育系的转育过程。
具体实施例方式本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种对稻米的糯性进行改善以及利用被改善的糯性品种进行不育系转育的方法。具体地，通过对特定雄性不育保持系和雄性不育恢复系的种子进行处理，在处理后代群体中进行糯性子粒或单株选择，完成雄性不育保持系和雄性不育恢复系的糯性转换；并通过糯性转换后的雄性不育保持系与原有雄性不育系杂交转育完成原有雄性不育系的糯性转换，创建成糯性发生转换的雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系。本发明方法与传统的转育方法相比，失败风险和培育时间减少了一半，且获得的新品种遗传稳定，品质优良，适于大面积推广。在此基础上完成了本发明。作物如本发明所用，作物是指直接或间接为人类需要而栽培的植物。作物包括但不局限于禾谷类作物、油料作物、薯类作物、豆类作物。薯类作物等。其中禾谷类作物是我国的主要粮食作物，包括小麦、大麦、黑麦、燕麦、水稻、高粱等，在植物学上均属禾本科草本植物。作物育种作物育种是作物改良的重要途径，主要有以下几种方法I.自然突变育种传统的育种主要来源于自然突变，但由于自然突变随机发生无法预测，且频率太低，目前已无人问津。2.杂交育种杂交是父本和母本间整套染色体的杂交和重组，牵涉到成千上百个基因，因此，通过杂交的方法培育新品种在遗传上纯合慢，育种时间长。3.随机诱变育种主要是辐射和化学诱变，辐射诱变产生的突变是随机发生，无法预测；而且，往往造成染色体或染色体片段结构性变化，或大范围DNA碱基变化，以至出现致死、不育、植株畸形等重大伤害；遗传上存在难于纯合的缺点。4.转基因育种虽然通过转基因方法导入某个特定基因能定向改变目标基因的表达和活性，但是存在明显的缺点(a)转基因作物的安全性短期内不能预测；(b)转基因操作过程复杂、费时；(C)转基因作物费用大。
乙基甲烷磺酸或其盐(EMS)EMS是一种化学诱变剂，常被遗传学家用于突变体的诱导、分离、鉴定和分子遗传学的研究。EMS的作用机理主要是在DNA的复制过程中，将鸟嘌呤烷基化，从而使其无法与胸腺嘧啶配对，导致生物体DNA的碱基变化，使基因的结构和功能发生改变，最终造成相关性状或特性发生改变。由于EMS诱导的突变通常是单个碱基发生变化，因此引起的是点突变。点突变只是某个相关基因发生改变，不容易牵涉到其他基因和性状，影响范围小，且遗传比较容易稳定。正是因为EMS所诱发的突变多数为点突变，因此变异少，幅度小，所发生的突变不易被观察和加以选择。所以必须采用特殊的定向观察和鉴定方法。
EMS预处理如本发明所用，MS对禾谷类作物预处理是指对浸种后的种子用一定浓度的EMS浸泡一定时间。在本发明中，EMS的浓度和处理时间没有特别限制。通常，EMS的浓度为O. 05wt% -5wt%,较佳地 O. Iwt% -2wt%,更佳地 O. 5wt% -lwt%,EMS 的处理时间为 2-24小时，较佳地5-15小时，更佳地10-12小时。在另一优选例中，所述的处理是将作物种子与浓度O. 5%的乙基甲烷磺酸盐溶液浸泡12小时。定向改善禾谷类作物的选定性状将经EMS处理后的谷粒充分冲洗干净，室温催芽，粒播育秧，移栽成活的秧苗，并于当季混合收获。待第二季再进行育苗和单株移栽、收获。单穗脱粒，定向初筛和复筛，大田种植进行最终性状鉴定。水稻糯性改善的突变体选育的整体流程见图8。杂种优势和杂交水稻育种杂种优势指杂交子代在生长活力、育性和种子产量等方面都优于双亲均值的现象。杂交水稻具有强大的杂种优势和抗逆性，无论是籼型还是粳型普遍表现比常规品种增产，尤其是籼型杂交稻增产幅度更大，因此，杂种优势利用是水稻育种的方向和重要内容。水稻杂种优势利用的核心技术是三系选育和配套，所谓三系是指I.雄性不育系(代号A):稻株外部形态与普通水稻没有差别，但雄性器官发育不正常，花粉败育.不能自花授粉结实；雌性器官发育正常，能接受外来花粉而受精结实。2.雄性不育保持系(代号B):由于不育系本身的花粉是不育的，自交不结实，不能通过自花传粉繁衍具有不育特性的后代。必须要有一个正常可育的特定品种给不育系授粉并能结实，使不育系的后代仍保持其雄性的不育特性，这种能使不育系性能-代一代保持下去的特定父本品种称为雄性不育保持系。雄性不育保持系的稻株雌雄蕊发育均正常，将其花粉授予雄性不育系的雌蕊，不仅可结成种子，而且种子播种后仍生长发育成雄性不育植株。3.雄性不育恢复系(代号R):—些正常可育的品种花粉授给不育系后，结实正常，而且新产生的杂种一代育性恢复正常，能自交结实，并具有较强的优势。这种能够恢复不育系雄性繁育能力的品种叫雄性不育恢复系。目前糯稻的杂交育种还处于起步阶段，既没有不育系，更谈不上新组合选配和试种推广。一方面，糯稻种质资源有限，也没有合适的糯稻雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系可供利用；另一方面，糯稻转育时间长(通常需要4-6年)，风险大。糯稻杂种优势利用的技术体系以水稻三系法为例，生产上利用的是具有产量优势的杂种，而杂种的产生，必须要有相应配套的雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系(简称三系)。雄性不育系和雄性不育保持系除了育性不同外，其它性状要求相同，雄性不育系因自身没有花粉，无法自交结实，它只能依靠雄性不育保持系的花粉，通过杂交来结实，并维持它的雄性不育特性；雄性不育系通过与雄性不育恢复系杂交，能获得杂种，而且，具有杂种优势。在籼稻中，通过选育和转育，不仅三系配套，而且，有许多强优势的高产优质组合；在粳稻中，通过转育也完成了三系配套，和育成了许多高产优质组合。但是，无论籼稻还是粳稻，糯稻极少，其原因是雄性不育系转育时间长(四年八代)；极大多数粳糯品种没有恢复基因，只能起到雄性不育保持系的作用，要三系配套必须通过转育的方法，培育雄性不育恢复系，而且，该恢复系必须具有杂种优势。稻谷淀粉黏度(RVA)谱分析 RVA谱特征值是基于黏度速测仪和相关配套分析软件而诞生的一种谷物品质评判指标，在稻米的品质改良中，RVA谱的特征值与稻米的理化、蒸煮、食味品质指标关系密切。通过对不同的RVA谱特征值品种遗传分析、RVA谱与稻米品质和产量的相关关系、不同环境因素对品种RVA谱的影响等问题的深入研究，RVA谱分析作为稻米品质辅助选择技术在育种实践中已经得到广泛的应用。本发明的主要优点包括I. EMS诱导稻米糯性突变方法是随机和广泛有效的。2.定向改善选定性状具有很高的可操控性，欲多获得突变体，可通过增加EMS处理的种子数量来加以调节。3.遗传快速稳定EMS是诱导碱基发生点突变的诱变剂，即使牵涉到其他基因，也因是单基因点突变，很容易纯合稳定。4.育种高效廉价本发明方法的实验用地和费用可控制在2-3亩和3万元以内，且在一年(二季)时间内完成选定性状的改变，在二年内可完成雄性不育系的转育和新组合选育。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件如 Sambrook 等人，分子克隆实验室手册(New York Cold Spring Harbor LaboratoryPress, 1989)中所述的条件,或按照制造厂商所建议的条件。实施例IEMS处理种子I.选择5个粳稻品种(寒丰、9746、恢9、恢6、秀水128，都来自上海农科院作物所)，共16800粒种子。在26°C培养室内用蒸馏水浸种24小时，倒去蒸馏水，并用干毛巾将种子吸干。2.将EMS试剂稀释成O. 5wt%浓度的300毫升溶液倒入瓷盆，并在摇床上轻微摇动，处理12小时。实施例2
种子催芽及粒播倒去EMS处理液，用自来水流动冲洗6小时，将种子吸干并倒在瓷盆的湿滤纸上，上面复湿滤纸和湿毛巾进行催芽。萌芽后定时翻动，待芽长至3毫米时，进入大田秧板进行粒播。移栽前统计成活的秧苗数，确定诱变致死频率。实施例3混合收获及集团种植待成活的秧苗长至5叶时进行移栽，所有秧苗全部单株栽插，按常规管理。在水稻成熟时，统计抽穗的单株数，并按株收取穗顶部2粒种子，全部种子混匀。第二年，按常规方法育苗，单株移栽。成熟时按株各收一穗，统计收获单株数。实施例4
定向改善水稻糯性I.从EMS诱导群体中选择糯稻突变体，通过子粒出糙后的外观目测进行粗筛，大量淘汰子粒外观为透明的非糯型个体。如图I所示，初步选择的寒丰糯稻米粒颜色呈蜡质状，不透明；而寒丰粳稻颜色透明。2.对粗筛入选的子粒外观为蜡质的糯型个体进行碘-碘化钾染色，如图2所示，子粒纵切面为橙色的为糯型个体，子粒纵切面为蓝色的为非糯型个体。图3-图6分别显示了不同品种的糯稻和粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异结果。图3为9746糯稻米粒和9746粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图4为恢6糯稻米粒和恢6粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图5为恢9糯稻米粒和恢9粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图6为秀水128糯稻米粒和秀水128粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。由此看出，本发明方法处理的不同品种的谷粒都有一定比例的糯性转变，且效果明显。实施例5糯性突变的频率测定在目测和碘-碘化钾染色鉴定为纯合株系后，进行单独种植和收获，进行直链淀粉含量鉴定，直链淀粉含量低于3wt%的为糯稻突变体，统计糯性突变率。表I为不同粳稻品种EMS处理后发生糯性突变的频率结果。表I
权利要求
1.一种对禾谷类作物的选定性状进行定向改善的方法，其特征在于，包括步骤 (a)用乙基甲烷磺酸或其盐处理所述作物的种子； (b)对经步骤(a)处理的种子进行种植，获得所述禾谷类作物的植株或作物谷粒；和 (C)对所述的作物植株或作物谷粒进行分析，选出选定性状被改善的植株或谷粒。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括步骤； (d)用选出的选定性状被改善的作物谷粒进行传代、杂交、和/或育种。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的选定性状包括耐寒性、耐热性、产量、糯性、株高、株型、或千粒重。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的禾谷类作物包括水稻、大麦、小麦、或高粱。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的作物为水稻，并且对收获的谷粒进行直链淀粉含量分析，选出糯性被改善的植株或谷粒。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的糯性被改善的植株或谷粒的直链淀粉含量低于3wt%。
7.一种植物细胞，其特征在于，所述的植物细胞来源于用权利要求I所述方法获得的选定性状被改善的禾谷类作物。
8.一种用权利要求I所述方法获得的选定性状被改善的禾谷类作物的用途，其特征在于，它被用作禾谷类作物不育系的转育。
9.一种禾谷类作物不育系转育的方法，其特征在于，包括步骤 (a)用权利要求I所述的方法对禾谷类作物的选定性状进行定向改善，从而获得选定性状改善的品种； (b)用步骤(a)获得的选定性状改善的品种与原品种的雄性不育系杂交和回交； (c)对收获的回交子粒进行分析，选出选定性状被改善的子粒； (d)种植步骤(C)得到的选定性状被改善的子粒； (e)对步骤(d)的选定性状被改善的不育系进行育性和性状分析，得到雄性不育系； (f)将步骤(d)的雄性不育系与恢复系杂交，得到选定性状改善的杂交种。
10.一种乙基甲烷磺酸或其盐的用途，其特征在于，它被用作对禾谷类作物的选定性状进行定向改善的诱变剂。
全文摘要
本发明涉及一种快速有效培养糯稻新品种和杂交稻的方法，以及一种定向改善禾谷类作物选定性状及转育不育系的方法及其应用。本发明方法简单高效、培育方法重现性高、对特定性状的改善具有可控性，获得的新品种遗传稳定、品质优良、适于大面积推广。
文档编号A01C1/00GK102870558SQ20111019626
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者沈革志, 王新其, 卢有林, 殷丽青, 郑洪建 申请人:上海市农业科学院