辣椒雄性不育系的筛选与鉴定

作者: 李彩朝 龙希洋 李承涛 谭萍

辣椒雄性不育系的筛选与鉴定0

摘 要:将细胞质雄性不育机制应用于辣椒育种工作,可加快辣椒杂交种的生产及利用杂种优势来提高辣椒产量和品质,并降低制种成本。在众多F2代辣椒中筛选鉴定出雄性不育源(HG),通过切片分析不育株辣椒细胞组织的发育情况,进一步筛选鉴定出辣椒的雄性不育株。同时,选用性状优良的父本与筛选出的不育株进行杂交、回交育种,为辣椒三系育种提供理论基础。

关键词:辣椒;雄性不育;切片;杂交

中图分类号:S641.303 文献标志码:B 文章编号:1674-7909(2024)7-59-4

DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.07.013

0 引言

辣椒(Capsicum annuum L.)为茄科(Solanaceae)辣椒属(Capsicum)一年生或有限多年生草本或灌木植物,因其独特的营养价值而深受消费者喜爱[1]。2022年,贵州省辣椒种植面积约为36.2万 hm2。

细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility,CMS)在辣椒F1代杂交育种中发挥着重要作用。雄性不育(male sterility)是指植物在生长发育过程中,产生的雄配子没有正常可育的遗传功能[2]。植物雄性不育是一种对植物自身不利的性状,但因其能与正常花粉受精结实,在杂交育种方面又具有独特的优势[3]。植物雄性不育主要特征是小孢子发育异常,花粉萌发逐渐变弱甚至丧失萌发功能[4]。雄性不育现象基本发生在植物界。目前,至少在43科162属320个种和297个种间杂交种中发现雄性不育现象[5]。

作物杂种优势在生产中发挥着重要作用,后代产量比亲本产量高15%~50% 。目前,杂交育种已被广泛应用于农业生产中,如在辣椒、玉米、油菜籽、高粱、向日葵等的生产中均用到杂种优势。然而,作物花朵去雄问题是限制杂种优势广泛应用的难题之一。作物花朵去雄会消耗大量的人力、物力和财力,而要解决这个问题的最好方法是筛选雄性不育系来进行育种[6]。在辣椒细胞质雄性不育方面,已有学者进行了大量研究。例如,李莹莹等[7]认为败育在减数分裂的任何时期都有可能发生,且败育方式不同,主要表现形式为绒毡层异常发育;Wang等[8]在不育系138A中筛选出强候选基因。目前,此技术辣椒三系育种中的实际应用还有待进一步研究。基于此,笔者通过田间试验来选育出新的辣椒不育系,以期为辣椒产业的发展提供一定参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

于2020—2021年在海南大学农科基地开展试验。该地属热带季风气候区,年平均气温为24.8 ℃。由于温度适宜,1 a可种植两茬辣椒。

1.2 试验材料

所用到的试验材料均为笔者所在的课题组在网上购买的纯种辣椒,用于筛选不育材料的辣椒品种有HG、SQ、CJHJ、LJ、LST,用于杂交试验的辣椒品种有种质5号、292号、CH5-19、红贵-4、292-36、红贵-1、Ca76、Ca68、Ca130、海红CH2、Ca40、Ca333、Ca250、海红ch2-17、4-50-1、亮剑-1、Ca46、0102-4-1、0102-4、ZW0074、彩椒88、Ca81、Ca188、Cc48、Cc195、格鲁吉亚001、Ca234、Ca343、杂3-jwh、385-非、393、410、Ca161、Ca322、Cb216、Cb430、Cc100、Cc445。在实验室进行试验时,根据辣椒栽培种和试验目的进行编号。

1.3 试验方法

1.3.1 播种育苗

对5个不同品种(HG、SQ、CJHJ、LJ、LST)的辣椒种子进行筛选,剔除其中不饱满和生活力低的种子,并对辣椒种子进行浸种催芽。每个辣椒品种催芽100粒种子,并恒温浸种。浸种后放在温室内进行催芽,催芽时要及时换水,并用纱布包裹后搓洗,待种子露白后播种,播种时使用的是24孔穴盘。播种后,将穴盘放到恒温实验室内进行培育,并定期浇水。待幼苗长出6~8片真叶后移栽到基地,每个品种选择80株(共400株)长势好的辣椒苗进行移栽,移栽前进行蹲苗,移栽后要及时浇水、施肥、防治病虫害等。

1.3.2 筛选不育材料

在移栽的400株辣椒中,筛选出花朵没有花粉的辣椒植株(前期只能根据辣椒花朵是否有花粉来进行初步筛选)。在筛选出无花粉的辣椒植株后,用镜检法对辣椒花蕾进行检测,观察其是否有花粉,从而初步判断是否为不育的辣椒植株。

细胞质雄性(CMS)不育株能用于辣椒育种,细胞核雄性(GMS)不育株不能用于辣椒育种。所以,为了进一步确定筛选出的辣椒不育株是GMS不育株还是CMS不育株,要对不育株进行杂交授粉,用其他可育辣椒与不育株进行杂交,收集后代种子,并进行催芽种植,通过有无花粉来判定不育株是GMS不育株还是CMS不育株。

1.4 花粉鉴定

当移栽的400株辣椒完全开花后,分别鉴别其是否有花粉,最终只找到一株(HG)没有花粉,如图1所示。辣椒不育系植株的外观与可育系植株不存在差别,二者的主要区别是有无花粉。HG可育株花瓣在未开放时很饱满,待花蕾开放后,能清晰看到可育株有很多花粉[见图1(a)];HG不育株花瓣还没有开放时呈皱缩状态,在花瓣完全打开后,雄蕊干瘪,没有花粉[见图1(b)]。

2 试验结果与分析

2.1 杂交试验分析

以辣椒HG不育株为母本,选用优良的辣椒品种作为父本进行杂交,得到F1代。选择没有花粉的株系,用其与父本连续回交,得到F2代、F3代、F4代。通过这种方式得到的后代细胞核具有父本细胞核的优良特征,即含有隐性的不育核基因(ss)。这是因为母性遗传是细胞质雄性不育的特性[9],本身就有不育基因,可以把不育的特征回交转育到优良的父本中[10],从而筛选出稳定的不育系和保持系。不同优良种质与HG的杂交情况见表1。

2.2 切片分析

可育株和不育株系的切片如图2所示。由图2可知,辣椒败育发生在减数分裂过程中,小孢子母细胞发育受辣椒细胞绒毡层的影响,导致小孢子母细胞不能正常发育,辣椒细胞绒毡层因过度膨大而严重挤压花粉粒细胞,导致生长发育过程中的减数分裂过程发生异常,从而使辣椒不能形成正常的花粉粒,导致辣椒出现败育现象,且没有花粉的辣椒花蕾切片几乎没有花粉粒形成[见图2(a)],而在减数分裂后期,正常辣椒花蕾的切片有明显的花粉粒[见图2(b)],进一步验证筛选出的、没有花粉的辣椒植株是雄性不育辣椒株系。

3 结束语

辣椒败育发生在减数分裂过程中,由于小孢子母细胞发育过程受辣椒细胞绒毡层的影响,导致小孢子母细胞不能正常发育,细胞绒毡层过度膨大会严重挤压花粉粒细胞,导致减数分裂发生异常,从而使辣椒不能形成正常的花粉粒。上述过程是辣椒细胞质雄性不育的形成过程[11],该研究中的辣椒可育株和不育株的切片分析结果与上述论证一致。

笔者在5个不同品种(共400株辣椒)中筛选出名为HG的辣椒雄性不育株。通过可育株系和不育株系同一个发育时期的切片对比分析可知,筛选出的HG是雄性不育辣椒株系,再利用筛选出的不育源与优良的父本进行回交,并连续回交3~4代,即可培育出雄性不育系。这与刘紫垠等[12]的研究结果基本一致;不同的是,刘紫垠等[12]研究时用到的辣椒不育源是引进的,而该研究的不育源是通过田间试验筛选得到的。下一步,要筛选出保持系和恢复系,以期为辣椒三系育种提供一定的技术支持。

辣椒不育系筛选在辣椒三系育种中具有非常重要的作用,有很高的经济效益。利用细胞质雄性不育法育种可降低成本,提高辣椒产量和品质。目前,随着高通量测序技术的快速发展,为辣椒线粒体基因组、转录组、蛋白组的测序和分析提供强有力的技术支持。未来,可结合转录组、代谢组、蛋白组等组学和辣椒线粒体基因组来研究细胞质雄性不育,从而挖掘出更多有价值的信息,为辣椒育种提供更多有价值的参考。

参考文献:

[1]王本启,黄树苹,陈霞,等.辣椒细胞质雄性不育分子生物学组学研究进展[J].中国蔬菜,2023(5):20-29.

[2]张锐,尚伟,许旭明.辣椒雄性不育的选育及利用研究进展[J].分子植物育种,2020(18):6143-6157.

[3]时子文,何青,赵卓凡,等.玉米雄性不育资源的发掘与利用[J].遗传,2022(2):134-152.

[4]廖丽娟.细胞质雄性不育辣椒花粉败育的转录组学研究[D].长沙:湖南师范大学.2017.

[5]郭爽,常绍东,黄贞等.辣椒雄性不育研究进展[J].辣椒杂志,2012(2):1-5.

[6]李彩朝,ZAKARIA G,金威恒,等.辣椒新细胞质雄性不育线粒体基因组的测序及分析[J].分子植物育种,2022(16):5250-5257.

[7]李莹莹,魏佑营,张瑞华,等.辣椒雄性不育系与可育系小孢子发生的细胞学观察[J].植物研究,2006(4):411-415.

[8]WANG P,LU Q H,AI Y X,et al.Candidate Gene Selection for Cytoplasmic Male Sterility in Pepper (Capsicum annuum L.) through Whole Mitochondrial Genome Sequencing[J].Int J Mol Sci,2019(3):578.

[9]WANG C D,LINA L,NADÈGE A,et al.The radish ogura fertility restorer impedes translation elongation along its cognate CMS-causing mRNA[J].Proc Natl Acad Sci U S A.2021(35):1-9.

[10]王作义,杨凤梅,王志强,等.辣椒雄性不育两用系选育转育及利用[J].北方园艺,1998(1):10-12.

[11]DASKALOFF S.A male sterile pepper (C. annuum L.) mutant[J].Theor Appl Genet,1968(8):370-372.

[12]刘紫垠,梁宏卫,张雪玲,等.辣椒雄性不育系304A的选育[J].辣椒杂志,2018(1):11-13.

基金项目:贵阳市科技计划项目(筑科项目〔2022〕3号)。

作者简介:李彩朝(1994—),男,硕士,助理农艺师,研究方向:蔬菜育种。

通信作者:谭萍(1986—),女,硕士,农艺师,研究方向:蔬菜育种及栽培技术推广。

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