文献类型： 中文期刊

作者： 王桂元 ¹ ;

作者机构： 1.湖南杂交水稻研究中心基础理论研究室

期刊名称： 杂交水稻

ISSN： 1005-3956

年卷期： 1986 年 01 期

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摘要： 本文在大量的水稻酯酶和过氧化物酶同工酶谱的研究基础上,讨论了水稻杂种优势与同工酶谱相关性的普遍性和特殊性,与优势相关的酯酶同工酶谱类型,互补酶谱的分析,对水稻杂种优势的机理进行初步解释,酶带高分辨的初步探索,讨论了同工酶研究的关键条件以及对同工酶应用技术的初步评价。一 在袁隆平研究员的创始与带领下,中国对杂交水稻的大量研究工作已充分证明了:在自花授粉植物——水稻中同样存在着杂种优势这一不可置疑的事实。 从生理学和遗传学角度来看,杂种优势( Heterosis)是一种既有主基因控制又受多基因互作以及内外环境影响的复杂生理现象和遗传性状。虽然经典遗传学已把杂种优势的概念确定为:“两个遗传组成不同的亲本,通过杂交产生杂种第一代(F1),在许多性状方面具有超亲的优越现象”。但就杂种优势概念的本身而言,包含着丰富的内容,如:相对优势Relative heterosis ,平均优势Average he-生物学优势( Biolozcalh。terosls),产量优势( C,。in rield heterosis),品质优势( Qualit｝, h。terosis)和抗性优势(Resistance heterosls)等。 尽管上述原因导致杂种优势的复杂性,但是近年来,国内外不少科学家仍从细胞学、遗传学、生物化学、生理学多渠道地进行探索杂种优势的机理和研究杂种优势的预测方法。他们除了在配合力分析、遗传距离、染色体分带、异染色质含量、生理活性物质互补、呼吸生理等各方面研究外,不少学者是进行旨在获得生化指标的同工酶研究,唐锡华(1979)、肖翌华(1979、1981)、阎炳宗(1980)、蒙义文(1978)、罗泽民(1980)、朱英国(1980)、蔡以欣(1980)、詹重兹(1980)等,在各自不同的杂交水稻组合试验中做了大量的同工酶研究工作,观察到杂交水稻三系及其杂种中的酶谱差异性,业获得比较一致的相似的结果:认为在F;代具有互补酶带的杂交组合与杂种优势有密切的正相关。即优势组合的F;多表现为兼具双亲特异酶带的“显性互补”,同时在Fl酶谱中,酶带较多,酶活更高,显色更浓,区带更宽。认为酯酶同工酶互补酶谱可能作为水稻杂种优势预测的生化指标之一。 我们( 1981—1985)在上述研究的基础上,较广泛较系统地对336个组合1626份各类型杂交稻和常规稻材料进行了杂种优势与同工酶谱的相关性研究,宽对160个组合进行了“互补”与优势的相关性分析。通过对较大数量试验材料的分析,初步认为:与水稻杂种优势密切相关的酯酶同工酶谱不是 “单型”,而是“多型”。就目前试验材料所能观察到的有四种:“显性互补带谱”、 “显性带谱”、“杂合带谱”和“独特带谱”,此结果与李继耕(1979、1980)分析玉米杂种优势时提出的“无差别型”、“互补型”、 “杂种型”和“单一亲本型”四种类型相似。 显性互补带谱:我们在近几年生产上推广的主要釉型杂交稻优势组合中,如威优6号、威优2号、南优2号、南优6号、四优 2号、四优6号、汕优2号、汕优6号等均属互补带型,1980—1983年的未知优势组合材料中,有50—60%出现互补带谱,这些组合都相应地具有较好的产量优势,如在1980年的测试材料中,台中育29A X测296(亩产量906.1斤), v。。A X测296(880.5斤), 珍汕97A X加农选8号( 904.6斤),台中育 29A X单一11( 809.6斤),珍汕97A X测 296( 872.6斤),台中育29A X加农选 8号 (956.8斤)等组合均具有互补带谱。相反, 在另一些组合如V。。AX芒草稻,台丰X科 京105— 7,汕A X 7427— l等酶谱不出现 互补带型,其相应产量亦较低,分别为590.6 斤、538.6斤和720.5斤。 互补带型酶谱的主要特征是在双亲(Pl、 P。)各自某一特定带共同出现在杂种一代 (F;)的酶谱上,它们在杂种一代的酶谱不同位点上形成了显性的互补现象。据我们观察,常见的互补酶带是Es和E;。两浓带在民所形成的显性互补带酶谱,互补出现的清晰时期和器官是孕穗期花药,灌浆期谷穗,分首期生长锥和芽期。互补现象在长江流域的矮融系与东南亚IR系配制的组合中出现频率最高。 显性带酶谱:在一些杂交稻和常规栽培稻其产量达到800—900斤以上,亚已大面积推广的强优组合中,其原亲本和杂种的酯酶酶谱显不是以上述“互补型”形式出现,而是表现为“显性带谱”。其特征主要表现在其亲本某一特定带在杂种中特定位点上呈现显性出现。显性带出现较多的是Es浓带,如在湘矮早 9号(湘矮早 4号 X IRs)、 78-1000(湘矮早8号X湘矮早9号)等组合中明显可见。 杂种带酶谱:在威优z.s( V。。t\-X26窄早)和农虎26A X培Clls、农虎26A X培C422,农虎26A x培C122等粳型组合以及其他一些组合中,它们在生产上已证明具有较强大的杂种优势,但其杂种(F;)酶谱益不表现为互补型,也不表现为显性带型,而是表现为杂种酶带。此种酶带类型在形态学上及数量观点上是不容易加以区分的。它的特点是在同一位点上具有相同数量但不同质 的酶带。 独特带谱:早在1960年施瓦兹( SCh-wartz)在玉米的杂种研究中,已发现在某些 具杂种优势的子一代杂种中,其酶谱除具有 双亲所有的不同迁移率的酶带外,还具有介 PI PZ 手双亲所没有的新酶带。如Rf;=N,Rf。= F S, Rf=N, NS, S,当时Schwartz称之为 “杂种带”。本文为了与上述所提到的“杂 种带”相区分,故把Schwartz观察到的这 种带改称为“独特带”。应该指出,本文所 指“杂种带”的概念应为:AXB=C,C在 八、B同一位点上但4AB独特带的概念: AXB=A、C、B、但C在不同于人、B的新位点上,C4A或B,独特带与优势出现同样密切相关,这种带谱较多出现在水稻抗性材料和辐射突变体材料之中。 显性互补带谱与杂种优势相关性的分析:杂种FI中出现双亲的酶带显性互补是否一定有优势?为了考察这种相关规律性,我们对160份杂交组合材料进行了重点的剖析。试验结果证明:在全部材料中可以出现互补与优势间的四种类型,即:有互补有优势( A),有互补无优势( B),无互补有优势(C)和无互补无优势(D)。也就是说,有互补不一定都具优势;无互补也不一定不具优势。但是有互补有优势的却占大多数(R;),互补与优势呈正相关的亦占多数(R。),而优势与互补不存在相关性的(R。)虽占比例较小,但仍然存在。 1.基因通过酶控制代谢过程,从而实现性状的表达。尽管杂种优势是一种比较复杂的生物学现象,但通过基因与性状间的桥梁一酶的研究是有可能获得有关性状出现的信息的。换言之,同工酶谱的特异变化是在一定程度上可作为杂种优势预测的生化指标之一。但是酶谱的表达是与内部生理状态及外部环境条件紧密相关,据我们研究的结果表明:各酶带的基因表达顺序是随着整个生育期不同阶段在不同器官中进行着规律的变迁,以致酶带数、酶活性都在动态性变化,因此优势预测的重要关键乃系寻找与目的性状紧密相关的“目的酶”以及这种酶在作物生长发育周期中酶活性最高的阶段,亚结合恒定精确的实验条件较大数量的重复试验,以获得准确的结果。 2.与水稻杂种优势密切相关的酯酶同工酶谱应是“多型”,而不是局限于“互补”的“单型”。从生物进化论和生物多样性的观点来说,现存高等生物与优势相关的特异酶谱“多型”性是完全可以理解的。 3.酶谱的多型性与水稻杂种优势机理解释的讨论。水稻杂种优势是一个已被中国科学家揭示的客观事实。又据我们的研究结果证明与水稻杂种优势相关的酯酶同工酶话表现为多型性。多型之一“显性互补酶谱”在形态学上表现为双亲特定显性酶带在杂种F;中的集中、累加,实质上来说是在杂种子一代中,一方面基因数量上的累积增加,另一方面在质上的互补(有利显性掩盖不利隐性)。其机理正符合遗传学上关于杂种优势形成的“显性学说”解释。再看多型之二 “显性带谱”。这种产生优势的带谱,实质上亦隶属于“显性学说”的解释,不同之处只不过是显性带谱是显性有利基因的“单互补”,而互补带谱则是显性有利基因的“双互补”,即后者在Fl代中有利基因的积累数量和显隐掩盖程度比前者更甚。在生产上具有“双互补”的酶谱的优势组合杂交稻其产量往往比具“显性带谱”的优势杂交组合更高,潜力更大,这一事实,似乎为上述论点提供一个偶合的旁证。再看多型之三和四,这两类酶带谱型之组合产生杂种优势的机理,恐怕不能用“显性学说”所能解释。双亲微效等位基因的异质性的互作产生区别于原来益超过双亲的质与量(AXB4AB,AXB=C,C羊*B),即异质性及其互作是此类型杂种优势产生的根本原因。类型三(杂种带谱)与类型四(独特带谱)之区别在于后者产生不同位点上的、数量上可以鉴别的区别于双亲的新酶带,而前者则产生位于双亲同一位点上的但在质的方面有区别于双亲的新酶带,是不易为酶谱形态学和数量上所能鉴别的。 4.酶带的高分辨探索。一个科学结论或假说是基于某阶段某一水平的科学试验条件和试验结果的基本事实而提出的,这是相对的,当随着研究手段和条件不断地发展而对科学结论和人们对自然的认识进行反馈、修饰、提高和深化。正如在医学遗传学对人的染色体分带技术研究当中,随着超分辨技术从数十带、数百带发展到数千带水平时,人们对分子遗传病的认识就越来越深化。采用聚丙烯酸胺平板电泳常规方法在大量的研究材料多次的重复(当次重复和周期重复)、严格的恒定的标准化试验条件下是可以获得基因与性状间一定的遗传信息和规律的。但是,我们认为在目前分辨条件下出现的酶带数量和形态特征对进行水稻杂种优势深一步的分析还不够很理想,对某些机理还不易阐述,为此,必须进行高分辨的探索。1985年我们用SDS—PAGE等方法进一步研究了一些杂交组合,获得了一些新的体会,如在上面提到的优势组合威优25,它在聚丙烯酸胺平板电泳中表现出同一位点上的不易在形态上区别的带谱,分析推论暂定为“杂种带谱”,但通过SD S—P AGE高分辨分析,在点样标准和实验条件完全一致的情况下,可以清晰地看到杂种与亲本间酶带质与量上的显著差别。进一步验证了科学的假设和推论。 5。 Darwin( 1876)早已提出“杂种优势是由两性因素具有某种程度分化所致”。Day。"port( 1.908)认为“进化过程中自然选择后现存显性基因大多数有利,隐性基因大多数不利”。Bruce(1910)提出“显性基因对隐性的掩盖作用”。此后,Keeble、Pello、( 1910)论证了上述观点, Je。ce加入了连锁概念。综上所述确立了“显性学说”。此外,以ShU门(u08)、b。。(泪36)、h eh(1945)等提出立论于等位基因异质性的作用而产生优势的“越显性学说”。目前对杂种优势的解释(还有多家理论解释)仅就等位基因互作而言,恐怕主要由显性学说”或超显性学说为主,当然还有非等位基因的互作和核质间基因互作的因素。基于我们的试验分析,我们初步认为:水稻杂种优势的形成恐怕不能用&一学说理论来解释,而应该按水稻分别类型同时用显性学说和超显性学说多种学说来分别解释。从我们的研究当中,初步获得了酶谱的论据。 6.“互补”现象是在基因内容上反映在F;代中量的增加和质的互补。因此,从理论上和实验结果中均可认为:它可能成为优势预测的重要酶诺指标,但益不是唯一的指标。上述试验亦已证明,互补上非都有杂种优势、无互补生非均无优势。其中虽然正相关是主要的,但这种相关性仍然是相对的、非绝对的。对于互补与优势相关性的特殊性的解释,可能有下列请原因:(1)经济性状优势与生物学优势的互相混合和干扰,以致我们在育种中往往较多注意到经济优势而忽略了对生物学优势的考察,其实,这种优势是存在的,只是表现为不同形式而已。正如江苏省农科院易琼华绔门984)观察到的酯酶同工酶5 A、 6 A互补产生经济优势,而3A、 6A互补则产生营养优势。( 2)着重考察竞争优势,而往往忽略和掩盖了相对微弱的超亲优势(前者在育种学上往往显得较重要,而后者在遗传学上显得较重要)。(3)非互补而产生优势的原因已从上述试验中所获的“多型”性得到解释。 四 水稻杂种优势是极其复杂的生物学现象和遗传性状。基因与性状间的重要桥梁一同工酶是可能在一定程度上作为杂种优势预测的生化指标之一。与水稻杂种优势相关的酶谱为“多型”性,非“单型”性,“互补”带谱是其中重要类型之一。水稻杂种优势的机理不宜用单一学说进行解释。就等位基因互作的角度来说,水稻杂种优势机理应根据不同组合类型同时用显性学说或超显性学说分别解释。杂种优势的同工酶研究之关键乃系选择与目的性状戚戚相关的目的酶,掌握酶带在不同生育阶段的动态变迁规律,选取基因表达顺序的最适时期进行取样研究。同工酶的恒定的、标准的实验条件的确立以及酶带的高分辨或超分辨技术探索对杂种优势同工酶的分子遗传学机理的进一步研究具有极其重要的战略意义。对同工酶技术应用给予正确的恰如其份的评价以及配合遗传学育种学多种方法共同进行深人的广泛的大量材料的多次的反复研究是十分必要的。论水稻杂种优势与酯酶同工酶谱@邓鸿德$湖南杂交水稻研究中心基础理论研究室 @王桂元$湖南杂交水稻研究中心基础理论研究室