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野生稻资源的研究与利用

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维普资讯 http://www.cqvip.com l6 湖北农业科学HUBEI AGRICUL I瓜AI,SCIENCES No.4,2002 野生稻资源的研究与利用 黄运平1 J覃( )武汉科技学院环境与化学工程系 武汉瑞 J 430073; )中南民族大学生物技术国家民委重点实验室) 摘要由于栽培稻的许多改良品种具有相同或相似的遗传来源,造成了遗传上的单一性。而野生稻在漫长 的进化过程中,由于复杂的地理环境和各种生态因素的作用,形成了具有抗性强、抗谱广的基因,对野生稻资源的 研究、开发与利用已成为植物育种的重要领域。 关键词野生稻抗性基因栽培稻 随着大量栽培改良品种的育成与推广,水稻产 sativa L.)和非洲栽培稻(0.glaberrima Steud), 量大大提高。但由于许多现代改良品种具有相同或 而野生种则有20多个,广泛分布于亚洲、非洲、美洲 和澳洲。基于细胞学、形态学和分子生物学的分析, 野生稻可分为AA染色体组和非AA染色体组,根 据与栽培稻亲缘关系的远近,又有将非AA染色体 组的野生稻分为两组,一组以药用野生稻 (0.officinalis)为代表,包括染色体组为BB、CC、 、相似的遗传来源,因而造成了遗传上的单一性。而 水稻中的抗病基因与病原生物中的非致病基因存在 着基因对基因的关系(gene for gene),一个抗病基因 的抗性很容易因非致病基因的变化或新的致病基因 的出现而丧失,为了维持栽培稻群体中的抗病水平, 就必须不断导人新的抗病基因。野生稻资源具有丰 DD、a:DD、EE的种,另一组包括染色体组为 富的遗传多样性,在漫长的进化过程中,由于复杂的 地理环境和各种生态因素的作用,形成了抗病、抗 虫、耐冷、耐盐、细胞质雄性不育等多种优良特性。 野生稻已成为水稻品种改良的重要种质资源,特别 FF、GG以及染色体组尚未确定的几个种,如短药野 生稻等(表1)。一般认为,栽培稻和它的近缘野生 种都具有AA组染色体,(、C组也是基本的染色体组 类型,它可以与其他染色体组结合形成具有2个染 色体组的种,B、C和D染色体组间彼此有某种亲和 性[2l。 是近年来随着生物工程和分子生物学技术的发展, 促进了野生稻种质资源开发与利用的迅速发展…1。 1野生稻种质资源概况 稻属(Oryza)中,栽培稻只有亚洲栽培稻(O. 收稿日期:2002—06—24 黄运平:女,39岁,副教授 我国的野生稻资源十分丰富,根据1990年搜集 到的野生稻4487份种质的分类,目前有3种野生 稻,即普通野生稻(0.rufipogon Gril1)、药用野生稻 (0.officinalis Wal1)和疣粒野生稻(0,meyeriana Bail)l3 J分布范围为东经97。56 ~117。08 ,北纬 18。09 ~28。14 ,其中普通野生稻分布于广东、广西、 抽穗期的方法中增加展始历期的运用,可以弥补剑 叶展开以后没有利用植株外观性状预测抽穗期的缺 观察内容的基础上增加了观察内容,并运用观察所 得的信息预测大田群体的情况。凡是从事过杂交稻 制种的专业人员,均能够在制种中自如地观察并应 用亲本的分蘖进程和展始历期;而且应用它有益无 陷;可以连续观察同一稻穗而获得其系统资料,提高 样本信息的准确性;可以使预测大田群体的结果更 准确;还可以免去剥检幼穗的工作,简化预测方法。 害,应用得越充分,效果越显著。如果运用计算机软 件研究上述两项观察资料,探索提高父、母本群体颖 花开放的动态吻合率,建立杂交稻组合的制种模型, 亲本展始历期的观察,可以与分蘖进程的观察 结合进行,即在观察分蘖进程的样本中,增加观察主 茎和各分蘖从剑叶展开至始穗所经历的时间这一内 容,从而把握植株各个稻穗始穗的情况。 将大大简化制种技术、提高制种效益。杂交稻制种 的计算机软件已经研制出来了,笔者目前尚未发现 研究杂交稻亲本分蘖进程和展始历期的报道。如果 3应用分蘖进程和展始历期的可行性 亲本分蘖进程和展始历期的观察,只是在以往 迅速实施上述研究工作,将会使杂交稻制种技术更 加完善。 维普资讯 http://www.cqvip.com 湖北农业科学HUBEI AGRICULTI瓜AL SCIENCES No.4,2002 17 海南、云南、江西、福建以及湖南等省(自治区),最为 广泛;药用野生稻分布范围相对要小一些,海南、广 东、广西、云南均有发现;疣粒野生稻因对生态条件 15.3% J,在筛选出的8份抗白叶枯病和细菌性条 纹病的野生稻材料中,有2份兼抗纹枯病。印度中 央水稻研究所在18个野生稻种的材料中,鉴定出长 雄蕊野生稻和紧穗野生稻高抗白叶枯病。对我国云 南疣粒野生稻的抗性鉴定结果表明L ,疣粒野生稻 的严格要求仅分布于云南、海南两省 J。以分布海 拔为例,普通野生稻分布在2.5m~552.7m,药用野 生稻25~1 000 m,疣粒稻50~1 000 m,正是由于 对白叶枯病接近免疫,且高抗细菌条纹病和褐稻虱。 Sitch等通过鉴定证明了小粒野生稻高抗稻瘟病 8。 仅在中国的普通野生稻中,就筛选出了大量抗病、抗 虫、耐寒等性状的材料 J。 有的抗病基因,例如抗纹枯病基因,迄今为止从 栽培稻中筛选出的抗性材料极少,但在野生稻中,从 普通野生稻、短舌野生稻、尼瓦拉野生稻、小粒野生 它们所分布的地理环境的差异造成了我国野生稻遗 传的多样性和野生稻资源的丰富性。 2野生稻的重要性状 2.1 抗病虫性 野生稻资源中具有许多优异性状,在抗病虫方 面尤为突出。研究表明,对于一些严重危害生产的 稻和宽叶野生稻中都筛选到了高抗材料¨ 。不仅 如此,许多野生稻的材料还表现为多抗性,如小粒野 生稻抗稻瘟病、白叶枯病及纹枯病;我国的药用野生 稻,具有抗三化螟、褐稻虱,白背飞虱、稻瘿蚊、稻瘟 如白叶枯病、稻瘟病、纹枯病、褐飞虱、白背飞虱、叶 蝉、稻瘿蚊、黄萎病以及普矮病等病虫害,野生稻中 均筛选到具有重要利用价值的抗性材料,而且抗性 强、抗谱广【1-5 J。野生稻中抗虫材料的检出机率比 栽培稻要高出几十倍。在对普通野生稻的白叶枯病 抗性鉴定中发现,高抗至中抗材料检出率高达 病以及白叶枯病等病害的特性。此外,对于栽培稻 中只能以预防为主的一些病毒病如黄萎病以及普矮 病,野生稻却表现出高抗甚至免疫【lU J。 表1 野生稻的名称、染色体数和染色体组 维普资讯 http://www.cqvip.com 18 2.2抗逆性 湖北农业科学HUBEI AGRICULTURAL SCIENCES No.4。2002 胎矮、包选2号、包选矮等多个品种。随后70年代 上海育成的“崖农早”,80年代广东农科院育成的 “竹野”、“西乡糯1号”等品种也成功地应用于生产。 AA组野生稻在水稻育种中的另一个重要成就是细 胞质雄性不育基因的发现与利用【1,11 J。国际水稻 由于野生稻分布广泛,生态条件复杂,在形成各 种抗病虫特性的同时,也形成了许多耐不良环境的 特性,这对栽培稻的多抗育种,提高育成品种的适应 性以及在特殊地理区域中栽培稻品种的育成和推广 具有重要的意义。 野生稻的抗逆性主要表现为耐寒、耐盐、耐旱、 耐涝、根系泌氧力等方面。1989年,广东省农科院 在野生稻种质抗性鉴定中就筛选出了抗寒、耐涝、耐 旱及根系泌氧力1级和2级抗性的材料。1992年, 研究所采用回交的育种方法,先后将AA组的尼瓦 拉野生稻的草丛矮缩病抗性基因、长雄蕊野生稻的 广谱抗白叶枯病基因Xa一21成功地转入栽培品种 由[13] I o 野生稻种中的大多数属于非从染色体组,还 林登豪在我国广西也曾鉴定出耐寒3级的材料。何 光存等…通过观察迁移至武汉的东乡野生稻的生 长情况发现在4月初10℃左右的条件下野生稻出 现露地再生,表明具有低温下保持根系活力、恢复幼 苗生长的能力。许多研究者正在通过远缘杂交以及 生物技术的方法,将紧穗野生稻的耐盐基因导人栽 培稻中。 包括部分异源四倍体,其地理分布更为广泛,形态特 征和生理特性比AA组更为丰富多样…,RFLP和 RAPD的分析结果也证明了相对AA组野生稻而 言,非AA组野生稻具有更为丰富的分子多态性,在 水稻育种中有更高的利用价值。但由于非AA组野 生稻与栽培稻之间亲缘关系较远,存在着生殖障碍, 主要表现为杂交不结实、杂种不育、有利基因与不利 2.3其他性状 细胞质雄性不育是水稻杂种优势利用的基础。 野生稻细胞质雄性不育基因的发现与利用是杂交稻 基因之间较强的连锁障碍以及杂种后代长期分离的 不稳定性,所以运用常规的育种方法只有小粒野生 稻(BBCC)、药用野生稻(CC)、澳洲野生稻(EE)、长 雄蕊野生稻(AA)、尼瓦拉野生稻(AA)中对少数的 目的基因的转移的报道L1 。因此,在使用传统育种 方法的同时,细胞工程与分子生物学方法已成为现 阶段x,J-t ̄AA型野生稻资源利用的重要途径。利用 胚培养和胚抢救技术,已获得栽培稻与药用野生 从研究转为生产应用的具有历史意义的一步。目前 我国及世界上所利用的细胞质雄性不育性绝大部分 来源于野生稻。以我国为例,水稻不育系的不育胞 质来源中,野生稻有32种,占54%【11 J。其中,利用 红芒野生稻育成的红莲不育系,是我国四大雄性不 育系统之一L1 7l。细胞质雄性不育性在野生稻中普 遍存在。 野生稻其他特征主要是米粒外观品质及其营养 品质等与产品质量有关。对我国普通野生稻原产地 稻…、紧穗野生稻[ 、高秆野生稻[ 5]的杂种,解决 了杂交不结实这一难题。此外,体细胞杂交技术实 现了在细胞水平上的遗传操作,它不仅克服了有性 杂交中的生殖障碍问题,而且在细胞质基因的转移、 提高基因的重组率和杂种后代可利用性方面具有远 的调查表明,米粒外观品质优良的占39.16%,中等 占56.24%,差的仅占4.42%。江西省对东乡野生 稻资源特性评估测定还发现,1 kg干重的稻米中, 19种氨基酸比例高达1l2.3~112.8 g,广东省的药 用野生稻中蛋白质也高达120.0~177.6g,均高于 栽培稻的71.8-91.8 。 缘有性杂交无可比拟的优点,近年来在野生稻研究 与利用中得到了广泛的应用lI6,l7 J。 目前分子生物学已成为野生稻基因转移和利用 研究中的一种重要的手段,并已成功地应用于野生 稻杂种的鉴定、后代遗传组成的分析、外源DNA片 段及其大小的探测、野生稻基因的定位和克隆、性状 的标记辅助选择以及新型资源的寻找【1,l8 J。RFLP 标记由于位点数多,不受基因表达的时空及环 3野生稻资源的研究进展 目前,在对以普通野生稻为代表的AA的发掘 与利用中取得了许多重要成就,这是由于AA组野 生稻的染色体组与栽培稻染色体组相同,种间的基 境条件的影响,近年来广泛应用于野生稻遗传多样 性的评价等方面。王振山【l9 J、Cai等[20]用RELP标 记分别对广西、广东和泰国、印度尼西亚的普通野生 因转移比较容易,杂交后代多数能结实并发育成正 常成熟的种子,在减数中染色体可以正常配对 稻的遗传多样性进行了分析和评价。通过REl P分 析表明,中国普通野生稻较印度和南亚地区国家的 普通野生稻存在着更高的遗传多样性 ¨。1992 年,Jena等应用174个RFLP标记分析栽培稻和药 用野生稻的杂交后代,其中28个RFLP标记探测到 分离,因此利用常规的育种技术就能完成目的基因 的转移 早在20年代,我国的丁颖¨2 J就利用普通 野生稻与栽培稻杂交,选育出省肥、粗生、抗性强、粒 质好的中山1号以及由该品种衍生的的中山红、包 维普资讯 http://www.cqvip.com 湖北农业科学HUBEI AGRICULTURAL SCIENCES No.4,2002 19 了药用野生稻染色体片段的渗入,约为栽培稻基因 组的14%,毛龙等(1994)通过RFLP标记对高秆野 生稻与栽培稻杂交后代的分析,发现了高秆野生稻 与载培稻之间多态性高达90%,RFLP的分析结果 表明了早期世代和后期世代渗入的片段相似且较 小,从而揭示了野生稻基因向栽培稻的渗入可能存 sortiewild relatives of rice.IntlRie Recs.Nesvs1.1991,16(4):13~ 17 6孙恢鸿,农秀美,黄福新等.广西普通野生稻抗白叶枯病研究. 见:野生稻资源研究论文选编.北京:中国科学技术出版杜.1991 7熊振民.中国野生稻研究的进展.水稻文摘,1988(1):1~5 8 Stieh LA,Dalrnaeio RD,Romem C-O.Crossibility of wild O】 % species and their ̄tentil use faor improvement of eultivaled 在着一种非传统的(nonconventiona1)的遗传重组机 制。此外,野生稻中异源基因在导入栽培稻的过程 中,由于野生稻与栽培稻基因组之间的同源性不高, ire.RGN.1989(6):58-c-60 9广东省农业科学院水稻所野生稻组.普通野生稻种质资源抗性鉴 定.广东农业科学.1989(2):3~6 10 Amante AD.Sheath blight(ShB)resistance in wild rices.Intl Rice Res Nesvs1.1990(15):5 ll罗崇善.我国三系资源的类型与利用.作物杂志,1988(3): 1~4 存在连锁累赘(Linkage drap),因此利用分子生物学 对导入的目的基因的标记定位具有重要的意义。运 用该技术,Ronald等成功地为来源于长雄蕊的具有 广谱抗性的抗白叶枯病基因Xa一21建立了分子标 记,将其定位于第l1染色体上并成功地克隆出 来 。随后,源于野生稻的抗褐飞虱基因和早熟基 12丁颖.广东野生稻及由野生稻育成之新种.中华农会会报, 1933(114).13 13 Multani DS,Jena KK,Brat DS et a1.Development of monosomic alien addition lines and introgression of genes from Oryza a11¥. .因通过同样方法分别被定位于第12、10染色体 上_2引。分子生物学的发展促进了水稻高密度分子 图谱的构建,从而使野生稻中新的有利基因的发掘 成为可能。在此基础上,Xiao等_2 J从普通野生稻中 鉴定出2个与产量有关的数量性状位点(QTL)。 随着植物分子生物学的发展,一些新的技术如染色 体原位杂交(in situ hybridization,ISH)也得以应用 于野生稻研究中。使用该技术,颜辉煌等【25 J、何光 存…分别对栽培稻与药用野生稻,栽培稻与疣粒野 生稻的杂种F、中来源于不同亲本的染色体进行了 准确的鉴定。以上研究结果表明,分子生物学技术 已成为野生稻研究中的强有力工具,有着广阔的应 用前景。 traliensis domin to cultivated rice 0.sativa.Theor Appl C- ̄net, 1994(88):1O2~109 14颜辉煌,熊振民,闵绍楷等.紧穗野生稻的褐飞虱抗性导入栽培 稻的研究.遗传学报.1997,24(5):424--431 15毛龙,周清,王显平.胡含高秆野生稻与栽培稻杂交后代的 RFLP分析.植物学报,1994,36(1):ll~l8 16 Yang ZQ,Shikanai T,Yamada Y.Asymmetric l1ybridization be.  ̄wveen cytoplasmic male—stenle(CMS)and fertile flee(Oryzasati. vaL.)protopl&sts.Thmr Appl Genet.1988.76:801-8008 17 Wijibrand J,Zabel P,Koornncef M.Restriction fragment lenth polymorphism analysis of ̄matic hybrids between L2x'opersicon es. c让 ,2£口,n and irradiatd Lycoperesicon peruviamum evidence for limited donor genome elimination and extensive chromo ̄x)me rear. rangement.Mol Genel Genet,1990,222:270--277 l8覃瑞,魏文辉,金危危等.与Gm一6和 一5(t)连锁的栽培稻 近十几年来,我国水稻育种进展缓慢,制约了水 BAC克隆在药用野生稻中的FISH定位.科学通报.2000.45 (22):2237--2240 19王振山,朱立煌,刘志勇等.野生稻天然群体性酶切片段长 稻产量的提高,其主要原因之一就是育种亲本的遗 传基础狭窄_2 。随着野生稻资源的收集、保存以及 度多态性(RELP)研究.农业生物技术学报,1996,4(2):ll 1~ ll7 遗传多样性的评价和利用取得的重大进展,丰富的 野生稻资源已成为现代水稻育种中新基因的重要来 源,再加上近年来植物分子育种技术的迅猛发展,使 20 Gai HW。Wang XK,Morishima H.Genetic diversity of C:hinese wild rie po pulcations.见:王象坤,孙传清主编.中国栽培稻起 源与演化研究专集.中国农业大学出版杜.1996:154 得实现培育半矮秆、高产、优质、多抗性的新品种和 新组合的稻种的目标、获得新的育种突破已成为可 能。 参考文献 1 何光存.细胞工程与分子生物学相结合——野生稻优异种质资 源利用的有效途径.生物工程进展.1998,18(2):41~45 2高桥成人.角田重三郎.水稻生物学.武汉:武汉大学出版杜. 1988 21孙传清,王象坤,吉村淳等.普通野生稻和亚洲栽培稻遗传多样 性的研究.遗传学报.2000,27(3):227--23437 22 Ronald P.A receptor kin&se—like protein encoded by the rie dics. ease resistance gene,Xa一21.Science,1995.270:1804~1806 23 Ishii T.Mc Couch SR.Mierosatellites and microsynteny in the chloro plast genomes of Oryza and eight other Gramineae species.Theor Appl Genet,2000.100(8):1257~1266 24 Xiao JH.Identification of heterosis—enhancing allels from a riece 3汤圣祥,江云球,张本敦等.中国稻区的生物多样性.生物多样 性,1999.7(1):73~78 wild relative,or)翻rufftx)gon.Plnta and Animal Gonome V Ab, stracts.1997:147 4全国野生稻资源考察协作组.我国野生稻资源普查与考察.中国 农业科学.1984(6):1~8 5 Kobayashi N,Ikeda R,Vaughan DA et a1.Resistance to turgm in 25颜辉煌,程祝宽,刘国庆等.栽培稻——药用野生稻杂种F.及 回交后代的基因组原位杂交鉴定.遗传学报.1999,26(2):157 ~】62 

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