专利名称：抗除草剂基因在作物杂优利用中的应用方法
技术领域：
本发明是利用抗除草剂基因提高作物杂种优势利用水平的方法，属于农业生物技术育种研究领域。
除草剂除草已成为当今农田有效地控制杂草，提高农作物产量与质量，发展农业生产的一项基本措施。近年来育种技术的发展，特别是细胞工程、基因工程育种与常规育种的结合使得一些对除草剂敏感的作物具有了抗除草剂的特性，进一步扩大了除草剂的使用范围，除草剂的使用与现代农业已紧密联系在一起。90年代以来本发明申请人展开了谷子、小麦、油菜等作物抗除草剂资源收集、创新、综合利用方面的研究，已取得了明显的进展。本发明是以谷子为模型，在育成抗除草剂新种质的基础上，拓建利用抗除草剂基因提高作物杂种优势利用水平的方法。
谷子是世界上传统的粮、饲、草兼用作物，世界各地均有种植，主要分布在亚、欧等地。谷子在我国的种植面积、总产均居世界之首，是我国北方重要的粮食作物。谷子抗旱耐瘠、适应性广、籽粒耐储，随着全球性水资源的匮乏，人们对旱作农业日趋重视，加之小米营养价值高、适口性好，对调节合理的膳食结构能起到积极重要的作用，这些都使得谷子生产呈现出新的发展势头。充分利用杂种优势提高其产量和用除草剂除草简化其栽培程序将是21世纪前期发展谷子生产重要的技术储备。
首先，利用杂种优势是提高作物产量与质量最为有效的途径之一。中国谷子杂种优势利用方面一直处于世界领先地位，特别是在“七五”、“八五”国家攻关计划的资助下，育成一批珍贵的不育与可育材料(胡洪凯等1986，1992《作物学报》；王天宇等1991《河北农大学报》，1994《中国农业科学》；赵治海等1996《中国农业科学》)。应用方面育成了核隐性高度雄性不育两用系(不育株率100％，不育度95％)，这种不育系遗传背景较简单，易转育，易恢复，与恢复系所配制的高度雄性不育两系杂种产量高、品质好，对于制种获得的杂种中夹杂的假杂种(不育系)可苗期根据指示性状(苗色)去除，这条途径部分组合已通过省区试进入应用阶段。但是，制种、繁种种了质量无法保证，进入生产实践大面积应用后高度雄性不育系配制的杂种表现真杂交率不高(通常只为40-80％)，大田利用苗期指示性状去除假杂种困难，更增加了栽培谷子的难度，这项杂种优势利用技术的广泛推广受到制约。另外，纵观目前谷子以及其他作物、其他形式杂种优势利用研究与开发，如光(温)敏不育、三系、显性核互作不育、化学杀雄不育等各种类型不育系配制的杂种也容易因其本身不育系的纯度、气候条件的影响、非规范化操作、机械混杂等原因造成大田使用的杂种纯度降低，导致生产上利用杂种的杂种优势提高作物产量与质量的水平降低。再则，由于自花授粉作物通常花粉量小，花粉的传播距离相对很小，目前的制种田不育系与恢复系间隔种植杂种结实率低，也影响种子质量，即使加上人工辅助授粉效果也不理想，制种质量与效益提高受到限制。因此保持好不育系质量，提高真杂交率与真杂种产量和寻找剔除假杂种的简易方法以保证杂种群体纯度是利用好杂种优势的技术关键。
其次，谷子栽培管理费工，劳动强度大，其中谷田除草一直是障碍谷子生产发展的一大世界性难题，主要表现在1、现有谷子品种不具有抗除草剂的能力，至今谷子生产仍然依靠繁重的手工作业除草间苗，费工费时，难于进行集约化规模种植；2、谷田中杂草种类多，数量大，一些近缘野生种杂草苗期还难于识别，对谷子产量、质量影响均很大，一般可造成减产20-30％，部分重茬谷田严重时甚至造成绝收；3、谷子种子粒小与许多杂草种子相似，加工清选困难，种子质量难于保证，加速了新推广优良品种的混杂退化，使其应用寿命缩短，极大降低了优良品种的利用效益；4、农业集约化发展，除草剂的施用量大增，使用于上茬或邻近其它作物的除草剂的残留与漂移对谷子时常造成危害，这种局面与现代农业极不相适应，严重制约着世界谷子生产的发展。
为了解决谷田除草这一难题，国内外一些学者曾开展了谷子抗除草剂品种或适于谷子使用的除草剂的筛选工作，遗憾的是现有谷子品种资源中不具抗源，仅发现个别品种对个别除草剂有一定的耐性。退一步采用对谷子损伤小的低剂量除草剂除草的方法不仅效果欠佳，农民也不好掌握，与实际应用有一定的距离(《中国谷子栽培学》，农业出版社，第一版)。为了改变这种局面，本发明申请人采用了创制抗除草剂新品种的技术路线解决这一难题。经过几年的努力，本发明申请人成功地将抗除草剂“拿捕净”、“氟乐灵”和“阿特拉津”基因从近缘野生种转移到栽培种谷子中，获得了抗性基因表达完全，抗性遗传稳定，抗性能力强，农艺性状好，单抗或复抗这三种除草剂的谷子新种质。遗传研究表明这三种抗除草剂特性分别受一对核显性基因、两对主效核隐性基因和细胞质叶绿体基因的控制(Wang T.et al 1996.Euphytica，Wang T.et al 1996.J.Heridity，WangT.et al 1995.Herbicide Resistance in Crops)，这些工作为谷子抗除草剂基因的研究与利用奠定了基础。
本发明的技术是在首先创制出携带三种不同抗除草剂基因、复抗三种不同类型除草剂的谷子新种质的基础上，再通过生物育种手段将各类抗除草剂基因应用在杂种优势利用中，达到通过一次施用除草剂同时去杂、除草的目的，以提高作物杂种优势利用和栽培水平。
本发明的目的之一是将新种质的核显性抗除草剂“拿捕净”基因转移到作恢复系的品种或常规品种之中，育成携带核显性抗除草剂基因的新型恢复系。应用这样的恢复系配制出的杂交种在应用时，一次施用除草剂可同时去除假杂种、非目的性杂种和杂草，获得整齐一致的杂种群体，提高杂种产量与质量。
本发明的目的之二是将新种质的核隐性抗除草剂“氟乐灵”基因转移到优良不育系中，这样的不育系繁种时，施用除草剂可同时去除杂株(排除非目的性花粉对不育系纯度造成的干扰)和杂草，保证不育系的纯度，简化不育系的繁种程序。
本发明的目的之三是利用新种质育成携带细胞质抗除草剂“阿特拉津”基因的不育系，用这样的不育系可与恢复系混种或贴行种植(缩短花粉供体株与受体株的距离)以提高杂交率与制种产量，而应用这样的不育系配制出的杂交种应用时，一次施用除草剂可同时去除夹杂的恢复系、杂株和杂草，获得整齐一致的杂种群体。
一种抗除草剂新种质的抗除草剂基因在杂种优势利用中的应用方法，选择携带细胞核显性抗除草剂基因、隐性抗除草剂基因和细胞质抗除草剂基因种质，用这种种质与恢复系或优良品种杂交与回交，选育出携带显性抗除草剂基因的恢复系，与不育系杂交与回交选育出携带隐性抗除草剂基因的不育系和携带细胞质抗除草剂基因的不育系，利用这种亲本进行杂种优势利用时施用除草剂去除杂种优势利用中的杂株与田间杂草，提高杂种优势的利用水平和简化栽培程序。
用抗除草剂种质与恢复系或常规品种杂交与回交，选育携带纯合显性抗除草剂基因的恢复系，用显性抗除草剂恢复系配制的杂交种在应用时，一次施用除草剂可同时去除假杂种、非目的性杂种和杂草，得到整齐一致的杂种群体。
用抗除草剂种质与优良不育系杂交与回交，选育携带隐性抗除草剂基因的不育系，用抗除草剂不育系繁种时，一次施用除草剂可同时去除其中的杂株和田间杂草，保证不育系的纯度。
用抗除草剂种质与不育系杂交与回交，选育携带细胞质抗除草剂基因的不育系；用携带细胞质基因抗除草剂不育系制种时可与恢复系混种或贴行种植缩短父母本距离，以提高杂交种结实率与制种产量，这种杂交种在应用时，可通过一次施用除草剂同时去除恢复系、杂株和杂草，获得整齐一致的杂种群体。
抗除草剂基因在杂种优势利用中可单独或组合应用。
本发明的优点和积极效果如下1、将属于显性遗传的抗除草剂“拿捕净”基因导入雄性不育系的恢复系，利用这样的恢复系配制的杂种在优势利用时，通过施用除草剂可同时去除假杂种、非目的性杂种与杂草，提高不同类型谷子不育系(遗传不育、生理不育、环境不育、化学杀雄不育等)的不育度由于种种原因不能达到100％的不育群体所配制杂种的利用水平。同时，抗除草剂“拿捕净”基因无不良第二效应，抗除草剂“拿捕净”基因的导入有利于经济产量的提高。
2、将属于隐性遗传的抗除草剂“氟乐灵”基因导入雄性不育系，不仅可有效地保持不育系的纯度，还可简化不育系繁种程序。
3、将细胞质叶绿体抗除草剂“阿特拉津”基因与优良不育基因组合在一体，育成携带细胞质抗除草剂“阿特拉津”基因的不育系，用这样的不育系制种时，将不育系与恢复系混种或贴行种植(缩短花粉供体与受体的距离)可获得高杂交种结实率与产量。这样的不育系配制的杂交种利用时，一次施用除草剂就可同时去除所生产种子中夹杂的恢复系、杂株和杂草。这样既提高了杂交种制种田杂种的产量，又保证了杂种应用田杂种群体的纯度，也提高了杂种的种植水平。
4、本发明以谷子为模型，成功地创制出抗不同类型除草剂的谷子新材料及其利用的新方法，既解决了谷田除草的难题，又解决了杂种优势利用中的制种和去杂保纯等难题，提高了杂种优势的利用水平，也为培育在生产上可利用的抗除草剂谷子新品种奠定了基础。这些新途径的积极效应，远远超出育成新型谷子恢复系和新型谷子不育系这一具体范例，而对其他作物杂种优势利用有着重要的参考与指导意义。
5、抗除草剂杂种(品种)在生产上安全有效地应用，将引起谷子栽培生产上的一次重大变革，不但谷子自身产量与质量能得到大幅度提高，而且预示着人们盼望已久的精量播种不间苗，免耕机械除草成为现实。这既可以节约大量的人力和财力，建立集约化农业生产体系，又可以利用谷子抗旱耐瘠的特点，结合施用除草剂开发荒地，具有广泛的应用前景，将会产生巨大的社会效益和经济效益。
6、实现抗源多样化经除草剂生物学反应试验证明，本发明得到的抗除草剂“拿捕净”恢复系能抗除草剂“拿捕净”Sethoxydim，也抗双甲酮衍生物和环己烷衍生物类除草剂；抗除草剂“氟乐灵”不育系能抗除草剂“氟乐灵”Trifluraline，也抗其他二硝基苯胺类除草剂。抗除草剂“阿特拉津”不育系能抗除草剂“阿特拉津”Atrazine，也抗其他均三氮苯类除草剂。除了本项研究，在国内外还未见抗除草剂“拿捕净”，“氟乐灵”“阿特拉津”基因应用于谷子等自花授粉作物杂种优势利用的报道。本发明所拓建的恢复系及其所配制的杂交种和两种不育系抗除草剂性能强，能达到实用水平。
7、通过实施本发明的有关措施，可降低不育系繁种田、制种田的隔离条件，容易选择隔离区，降低制种与繁种成本。
8、本发明应用过程采用的技术快速、简便。
图1为本发明利用携带三种分别属于不同遗传类型，抗不同除草剂基因的新种质于杂种优势利用方面的综合应用程序图。
图2为本发明单就核显性抗除草剂基因用在杂交种应用田中，通过一次施用除草剂“拿捕净”便可同时去除假杂种、非目的性杂种与杂草的应用程序图。
图3为本发明单就核隐性谷子抗除草剂基因用在不育系保纯方面的应用程序图。
图4为本发明单就细胞质抗除草剂“阿特拉津”基因在提高父母本杂交率、制种产量方面的应用程序图。
下面结合附图叙述
具体实施例方式一、显性抗除草剂基因应用于杂交种去杂去劣的实施方法通过杂交和回交育种把显性抗除草剂“拿捕净”基因转育到恢复系(或品种)之中，获得携带纯合抗除草剂基因的新恢复系，用这样的恢复系配制的杂种呈现抗除草剂特性，利用时通过一次施用除草剂就可同时去除假杂种、杂株和田间杂草。
二、隐性抗除草剂基因应用于不育系保纯、简化不育系的繁种程序的实施方法。
通过杂交和回交育种把隐性抗除草剂“氟乐灵”基因转育到育成的各类不育系(或保持系)之中，这样的不育系在繁种时，不育系接受外来常规品种等非目的性的花粉所得到的种子感除草剂，种植这样的不育系通过施用除草剂就可同时去除杂株和田间杂草，保持不育系的纯度，降低其繁种隔离条件。
三、细胞质叶绿体抗除草剂“阿特拉津”基因应用于提高杂交种结实率和制种产量的实施方法通过有性杂交育种将不育基因转移到细胞质携带抗除草剂基因遗传背景之中或将细胞质叶绿体抗除草剂“阿特拉津”基因转移到优良不育系(通常直接有性杂交转移率较低，为0.03％左右)中，用这样的不育系制种时，将不育系与恢复系混种或贴行种植(缩短花粉供体与受体株的距离)可提高父母本杂交率与制种产量，这样的不育系所配制的杂交种利用时，一次施用除草剂就可同时去除所生产种子中夹杂的恢复系、杂株和杂草。这样既提高了杂交种制种田杂种的产量，又保证了杂种应用田杂种群体的纯度，也提高了杂种的种植水平。
权利要求
1.一种抗除草剂新种质的抗除草剂基因在杂种优势利用中的应用方法，其特征在于选择携带细胞核显性抗除草剂基因、隐性抗除草剂基因和细胞质抗除草剂基因种质，用这种种质与恢复系或优良品种杂交与回交，选育出携带显性抗除草剂基因的恢复系，与不育系杂交与回交选育出携带隐性抗除草剂基因的不育系和携带细胞质抗除草剂基因的不育系，利用这种亲本进行杂种优势利用时施用除草剂去除杂种优势利用中的杂株与田间杂草，提高杂种优势的利用水平和简化栽培程序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用抗除草剂种质与恢复系或常规品种杂交与回交，选育携带纯合显性抗除草剂基因的恢复系，用显性抗除草剂恢复系配制的杂交种在应用时，一次施用除草剂可同时去除假杂种、非目的性杂种和杂草，得到整齐一致的杂种群体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用抗除草剂种质与优良不育系杂交与回交，选育携带隐性抗除草剂基因的不育系，用抗除草剂不育系繁种时，一次施用除草剂可同时去除其中的杂株和田间杂草，保证不育系的纯度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用抗除草剂种质与不育系杂交与回交，选育携带细胞质抗除草剂基因的不育系；用携带细胞质基因抗除草剂不育系制种时可与恢复系混种或贴行种植缩短父母本距离，以提高杂交种结实率与制种产量，这种杂交种在应用时，可通过一次施用除草剂同时去除恢复系、杂株和杂草，获得整齐一致的杂种群体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于抗除草剂基因在杂种优势利用中可单独或组合应用。
全文摘要
以谷子作为抗除草剂基因应用于杂种优势利用中的模型作物。育成携带显性抗除草剂基因的恢复系,其配制的杂种应用时施用除草剂可去除假杂种、非目的性杂种和杂草;育成携带隐性抗除草剂基因的不育系,繁种时施用除草剂可去除杂株和杂草;育成携带细胞质抗除草剂基因的不育系,制种时与恢复系混种或贴行种植可提高杂种结实率与产量,所配制的杂种应用时施用除草剂可去除其中的恢复系、杂株和杂草。该技术可单独或组合应用。
文档编号A01H1/02GK1247698SQ9811930
公开日2000年3月22日 申请日期1998年9月11日 优先权日1998年9月11日
发明者王天宇, 辛志勇, 丁国庆, 石云素, 王海波, 达门西 申请人:河北省农林科学院, 中国农业科学院作物育种栽培研究所, 中国农业科学院作物品种资源研究所