專利名稱：抗除草劑基因在作物雜優(yōu)利用中的應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用抗除草劑基因提高作物雜種優(yōu)勢利用水平的方法，屬于農(nóng)業(yè)生物技術(shù)育種研究領(lǐng)域。
除草劑除草已成為當(dāng)今農(nóng)田有效地控制雜草，提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一項基本措施。近年來育種技術(shù)的發(fā)展，特別是細胞工程、基因工程育種與常規(guī)育種的結(jié)合使得一些對除草劑敏感的作物具有了抗除草劑的特性，進一步擴大了除草劑的使用范圍，除草劑的使用與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已緊密聯(lián)系在一起。90年代以來本發(fā)明申請人展開了谷子、小麥、油菜等作物抗除草劑資源收集、創(chuàng)新、綜合利用方面的研究，已取得了明顯的進展。本發(fā)明是以谷子為模型，在育成抗除草劑新種質(zhì)的基礎(chǔ)上，拓建利用抗除草劑基因提高作物雜種優(yōu)勢利用水平的方法。
谷子是世界上傳統(tǒng)的糧、飼、草兼用作物，世界各地均有種植，主要分布在亞、歐等地。谷子在我國的種植面積、總產(chǎn)均居世界之首，是我國北方重要的糧食作物。谷子抗旱耐瘠、適應(yīng)性廣、籽粒耐儲，隨著全球性水資源的匱乏，人們對旱作農(nóng)業(yè)日趨重視，加之小米營養(yǎng)價值高、適口性好，對調(diào)節(jié)合理的膳食結(jié)構(gòu)能起到積極重要的作用，這些都使得谷子生產(chǎn)呈現(xiàn)出新的發(fā)展勢頭。充分利用雜種優(yōu)勢提高其產(chǎn)量和用除草劑除草簡化其栽培程序?qū)⑹?1世紀前期發(fā)展谷子生產(chǎn)重要的技術(shù)儲備。
首先，利用雜種優(yōu)勢是提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量最為有效的途徑之一。中國谷子雜種優(yōu)勢利用方面一直處于世界領(lǐng)先地位，特別是在“七五”、“八五”國家攻關(guān)計劃的資助下，育成一批珍貴的不育與可育材料(胡洪凱等1986，1992《作物學(xué)報》；王天宇等1991《河北農(nóng)大學(xué)報》，1994《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》；趙治海等1996《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》)。應(yīng)用方面育成了核隱性高度雄性不育兩用系(不育株率100％，不育度95％)，這種不育系遺傳背景較簡單，易轉(zhuǎn)育，易恢復(fù)，與恢復(fù)系所配制的高度雄性不育兩系雜種產(chǎn)量高、品質(zhì)好，對于制種獲得的雜種中夾雜的假雜種(不育系)可苗期根據(jù)指示性狀(苗色)去除，這條途徑部分組合已通過省區(qū)試進入應(yīng)用階段。但是，制種、繁種種了質(zhì)量無法保證，進入生產(chǎn)實踐大面積應(yīng)用后高度雄性不育系配制的雜種表現(xiàn)真雜交率不高(通常只為40-80％)，大田利用苗期指示性狀去除假雜種困難，更增加了栽培谷子的難度，這項雜種優(yōu)勢利用技術(shù)的廣泛推廣受到制約。另外，縱觀目前谷子以及其他作物、其他形式雜種優(yōu)勢利用研究與開發(fā)，如光(溫)敏不育、三系、顯性核互作不育、化學(xué)殺雄不育等各種類型不育系配制的雜種也容易因其本身不育系的純度、氣候條件的影響、非規(guī)范化操作、機械混雜等原因造成大田使用的雜種純度降低，導(dǎo)致生產(chǎn)上利用雜種的雜種優(yōu)勢提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量的水平降低。再則，由于自花授粉作物通常花粉量小，花粉的傳播距離相對很小，目前的制種田不育系與恢復(fù)系間隔種植雜種結(jié)實率低，也影響種子質(zhì)量，即使加上人工輔助授粉效果也不理想，制種質(zhì)量與效益提高受到限制。因此保持好不育系質(zhì)量，提高真雜交率與真雜種產(chǎn)量和尋找剔除假雜種的簡易方法以保證雜種群體純度是利用好雜種優(yōu)勢的技術(shù)關(guān)鍵。
其次，谷子栽培管理費工，勞動強度大，其中谷田除草一直是障礙谷子生產(chǎn)發(fā)展的一大世界性難題，主要表現(xiàn)在1、現(xiàn)有谷子品種不具有抗除草劑的能力，至今谷子生產(chǎn)仍然依靠繁重的手工作業(yè)除草間苗，費工費時，難于進行集約化規(guī)模種植；2、谷田中雜草種類多，數(shù)量大，一些近緣野生種雜草苗期還難于識別，對谷子產(chǎn)量、質(zhì)量影響均很大，一般可造成減產(chǎn)20-30％，部分重茬谷田嚴重時甚至造成絕收；3、谷子種子粒小與許多雜草種子相似，加工清選困難，種子質(zhì)量難于保證，加速了新推廣優(yōu)良品種的混雜退化，使其應(yīng)用壽命縮短，極大降低了優(yōu)良品種的利用效益；4、農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展，除草劑的施用量大增，使用于上茬或鄰近其它作物的除草劑的殘留與漂移對谷子時常造成危害，這種局面與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)極不相適應(yīng)，嚴重制約著世界谷子生產(chǎn)的發(fā)展。
為了解決谷田除草這一難題，國內(nèi)外一些學(xué)者曾開展了谷子抗除草劑品種或適于谷子使用的除草劑的篩選工作，遺憾的是現(xiàn)有谷子品種資源中不具抗源，僅發(fā)現(xiàn)個別品種對個別除草劑有一定的耐性。退一步采用對谷子損傷小的低劑量除草劑除草的方法不僅效果欠佳，農(nóng)民也不好掌握，與實際應(yīng)用有一定的距離(《中國谷子栽培學(xué)》，農(nóng)業(yè)出版社，第一版)。為了改變這種局面，本發(fā)明申請人采用了創(chuàng)制抗除草劑新品種的技術(shù)路線解決這一難題。經(jīng)過幾年的努力，本發(fā)明申請人成功地將抗除草劑“拿捕凈”、“氟樂靈”和“阿特拉津”基因從近緣野生種轉(zhuǎn)移到栽培種谷子中，獲得了抗性基因表達完全，抗性遺傳穩(wěn)定，抗性能力強，農(nóng)藝性狀好，單抗或復(fù)抗這三種除草劑的谷子新種質(zhì)。遺傳研究表明這三種抗除草劑特性分別受一對核顯性基因、兩對主效核隱性基因和細胞質(zhì)葉綠體基因的控制(Wang T.et al 1996.Euphytica，Wang T.et al 1996.J.Heridity，WangT.et al 1995.Herbicide Resistance in Crops)，這些工作為谷子抗除草劑基因的研究與利用奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的技術(shù)是在首先創(chuàng)制出攜帶三種不同抗除草劑基因、復(fù)抗三種不同類型除草劑的谷子新種質(zhì)的基礎(chǔ)上，再通過生物育種手段將各類抗除草劑基因應(yīng)用在雜種優(yōu)勢利用中，達到通過一次施用除草劑同時去雜、除草的目的，以提高作物雜種優(yōu)勢利用和栽培水平。
本發(fā)明的目的之一是將新種質(zhì)的核顯性抗除草劑“拿捕凈”基因轉(zhuǎn)移到作恢復(fù)系的品種或常規(guī)品種之中，育成攜帶核顯性抗除草劑基因的新型恢復(fù)系。應(yīng)用這樣的恢復(fù)系配制出的雜交種在應(yīng)用時，一次施用除草劑可同時去除假雜種、非目的性雜種和雜草，獲得整齊一致的雜種群體，提高雜種產(chǎn)量與質(zhì)量。
本發(fā)明的目的之二是將新種質(zhì)的核隱性抗除草劑“氟樂靈”基因轉(zhuǎn)移到優(yōu)良不育系中，這樣的不育系繁種時，施用除草劑可同時去除雜株(排除非目的性花粉對不育系純度造成的干擾)和雜草，保證不育系的純度，簡化不育系的繁種程序。
本發(fā)明的目的之三是利用新種質(zhì)育成攜帶細胞質(zhì)抗除草劑“阿特拉津”基因的不育系，用這樣的不育系可與恢復(fù)系混種或貼行種植(縮短花粉供體株與受體株的距離)以提高雜交率與制種產(chǎn)量，而應(yīng)用這樣的不育系配制出的雜交種應(yīng)用時，一次施用除草劑可同時去除夾雜的恢復(fù)系、雜株和雜草，獲得整齊一致的雜種群體。
一種抗除草劑新種質(zhì)的抗除草劑基因在雜種優(yōu)勢利用中的應(yīng)用方法，選擇攜帶細胞核顯性抗除草劑基因、隱性抗除草劑基因和細胞質(zhì)抗除草劑基因種質(zhì)，用這種種質(zhì)與恢復(fù)系或優(yōu)良品種雜交與回交，選育出攜帶顯性抗除草劑基因的恢復(fù)系，與不育系雜交與回交選育出攜帶隱性抗除草劑基因的不育系和攜帶細胞質(zhì)抗除草劑基因的不育系，利用這種親本進行雜種優(yōu)勢利用時施用除草劑去除雜種優(yōu)勢利用中的雜株與田間雜草，提高雜種優(yōu)勢的利用水平和簡化栽培程序。
用抗除草劑種質(zhì)與恢復(fù)系或常規(guī)品種雜交與回交，選育攜帶純合顯性抗除草劑基因的恢復(fù)系，用顯性抗除草劑恢復(fù)系配制的雜交種在應(yīng)用時，一次施用除草劑可同時去除假雜種、非目的性雜種和雜草，得到整齊一致的雜種群體。
用抗除草劑種質(zhì)與優(yōu)良不育系雜交與回交，選育攜帶隱性抗除草劑基因的不育系，用抗除草劑不育系繁種時，一次施用除草劑可同時去除其中的雜株和田間雜草，保證不育系的純度。
用抗除草劑種質(zhì)與不育系雜交與回交，選育攜帶細胞質(zhì)抗除草劑基因的不育系；用攜帶細胞質(zhì)基因抗除草劑不育系制種時可與恢復(fù)系混種或貼行種植縮短父母本距離，以提高雜交種結(jié)實率與制種產(chǎn)量，這種雜交種在應(yīng)用時，可通過一次施用除草劑同時去除恢復(fù)系、雜株和雜草，獲得整齊一致的雜種群體。
抗除草劑基因在雜種優(yōu)勢利用中可單獨或組合應(yīng)用。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果如下1、將屬于顯性遺傳的抗除草劑“拿捕凈”基因?qū)胄坌圆挥档幕謴?fù)系，利用這樣的恢復(fù)系配制的雜種在優(yōu)勢利用時，通過施用除草劑可同時去除假雜種、非目的性雜種與雜草，提高不同類型谷子不育系(遺傳不育、生理不育、環(huán)境不育、化學(xué)殺雄不育等)的不育度由于種種原因不能達到100％的不育群體所配制雜種的利用水平。同時，抗除草劑“拿捕凈”基因無不良第二效應(yīng)，抗除草劑“拿捕凈”基因的導(dǎo)入有利于經(jīng)濟產(chǎn)量的提高。
2、將屬于隱性遺傳的抗除草劑“氟樂靈”基因?qū)胄坌圆挥?，不僅可有效地保持不育系的純度，還可簡化不育系繁種程序。
3、將細胞質(zhì)葉綠體抗除草劑“阿特拉津”基因與優(yōu)良不育基因組合在一體，育成攜帶細胞質(zhì)抗除草劑“阿特拉津”基因的不育系，用這樣的不育系制種時，將不育系與恢復(fù)系混種或貼行種植(縮短花粉供體與受體的距離)可獲得高雜交種結(jié)實率與產(chǎn)量。這樣的不育系配制的雜交種利用時，一次施用除草劑就可同時去除所生產(chǎn)種子中夾雜的恢復(fù)系、雜株和雜草。這樣既提高了雜交種制種田雜種的產(chǎn)量，又保證了雜種應(yīng)用田雜種群體的純度，也提高了雜種的種植水平。
4、本發(fā)明以谷子為模型，成功地創(chuàng)制出抗不同類型除草劑的谷子新材料及其利用的新方法，既解決了谷田除草的難題，又解決了雜種優(yōu)勢利用中的制種和去雜保純等難題，提高了雜種優(yōu)勢的利用水平，也為培育在生產(chǎn)上可利用的抗除草劑谷子新品種奠定了基礎(chǔ)。這些新途徑的積極效應(yīng)，遠遠超出育成新型谷子恢復(fù)系和新型谷子不育系這一具體范例，而對其他作物雜種優(yōu)勢利用有著重要的參考與指導(dǎo)意義。
5、抗除草劑雜種(品種)在生產(chǎn)上安全有效地應(yīng)用，將引起谷子栽培生產(chǎn)上的一次重大變革，不但谷子自身產(chǎn)量與質(zhì)量能得到大幅度提高，而且預(yù)示著人們盼望已久的精量播種不間苗，免耕機械除草成為現(xiàn)實。這既可以節(jié)約大量的人力和財力，建立集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，又可以利用谷子抗旱耐瘠的特點，結(jié)合施用除草劑開發(fā)荒地，具有廣泛的應(yīng)用前景，將會產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。
6、實現(xiàn)抗源多樣化經(jīng)除草劑生物學(xué)反應(yīng)試驗證明，本發(fā)明得到的抗除草劑“拿捕凈”恢復(fù)系能抗除草劑“拿捕凈”Sethoxydim，也抗雙甲酮衍生物和環(huán)己烷衍生物類除草劑；抗除草劑“氟樂靈”不育系能抗除草劑“氟樂靈”Trifluraline，也抗其他二硝基苯胺類除草劑?？钩輨鞍⑻乩颉辈挥的芸钩輨鞍⑻乩颉盇trazine，也抗其他均三氮苯類除草劑。除了本項研究，在國內(nèi)外還未見抗除草劑“拿捕凈”，“氟樂靈”“阿特拉津”基因應(yīng)用于谷子等自花授粉作物雜種優(yōu)勢利用的報道。本發(fā)明所拓建的恢復(fù)系及其所配制的雜交種和兩種不育系抗除草劑性能強，能達到實用水平。
7、通過實施本發(fā)明的有關(guān)措施，可降低不育系繁種田、制種田的隔離條件，容易選擇隔離區(qū)，降低制種與繁種成本。
8、本發(fā)明應(yīng)用過程采用的技術(shù)快速、簡便。


圖1為本發(fā)明利用攜帶三種分別屬于不同遺傳類型，抗不同除草劑基因的新種質(zhì)于雜種優(yōu)勢利用方面的綜合應(yīng)用程序圖。
圖2為本發(fā)明單就核顯性抗除草劑基因用在雜交種應(yīng)用田中，通過一次施用除草劑“拿捕凈”便可同時去除假雜種、非目的性雜種與雜草的應(yīng)用程序圖。
圖3為本發(fā)明單就核隱性谷子抗除草劑基因用在不育系保純方面的應(yīng)用程序圖。
圖4為本發(fā)明單就細胞質(zhì)抗除草劑“阿特拉津”基因在提高父母本雜交率、制種產(chǎn)量方面的應(yīng)用程序圖。
下面結(jié)合附圖敘述
具體實施例方式一、顯性抗除草劑基因應(yīng)用于雜交種去雜去劣的實施方法通過雜交和回交育種把顯性抗除草劑“拿捕凈”基因轉(zhuǎn)育到恢復(fù)系(或品種)之中，獲得攜帶純合抗除草劑基因的新恢復(fù)系，用這樣的恢復(fù)系配制的雜種呈現(xiàn)抗除草劑特性，利用時通過一次施用除草劑就可同時去除假雜種、雜株和田間雜草。
二、隱性抗除草劑基因應(yīng)用于不育系保純、簡化不育系的繁種程序的實施方法。
通過雜交和回交育種把隱性抗除草劑“氟樂靈”基因轉(zhuǎn)育到育成的各類不育系(或保持系)之中，這樣的不育系在繁種時，不育系接受外來常規(guī)品種等非目的性的花粉所得到的種子感除草劑，種植這樣的不育系通過施用除草劑就可同時去除雜株和田間雜草，保持不育系的純度，降低其繁種隔離條件。
三、細胞質(zhì)葉綠體抗除草劑“阿特拉津”基因應(yīng)用于提高雜交種結(jié)實率和制種產(chǎn)量的實施方法通過有性雜交育種將不育基因轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)攜帶抗除草劑基因遺傳背景之中或?qū)⒓毎|(zhì)葉綠體抗除草劑“阿特拉津”基因轉(zhuǎn)移到優(yōu)良不育系(通常直接有性雜交轉(zhuǎn)移率較低，為0.03％左右)中，用這樣的不育系制種時，將不育系與恢復(fù)系混種或貼行種植(縮短花粉供體與受體株的距離)可提高父母本雜交率與制種產(chǎn)量，這樣的不育系所配制的雜交種利用時，一次施用除草劑就可同時去除所生產(chǎn)種子中夾雜的恢復(fù)系、雜株和雜草。這樣既提高了雜交種制種田雜種的產(chǎn)量，又保證了雜種應(yīng)用田雜種群體的純度，也提高了雜種的種植水平。
權(quán)利要求
1.一種抗除草劑新種質(zhì)的抗除草劑基因在雜種優(yōu)勢利用中的應(yīng)用方法，其特征在于選擇攜帶細胞核顯性抗除草劑基因、隱性抗除草劑基因和細胞質(zhì)抗除草劑基因種質(zhì)，用這種種質(zhì)與恢復(fù)系或優(yōu)良品種雜交與回交，選育出攜帶顯性抗除草劑基因的恢復(fù)系，與不育系雜交與回交選育出攜帶隱性抗除草劑基因的不育系和攜帶細胞質(zhì)抗除草劑基因的不育系，利用這種親本進行雜種優(yōu)勢利用時施用除草劑去除雜種優(yōu)勢利用中的雜株與田間雜草，提高雜種優(yōu)勢的利用水平和簡化栽培程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用抗除草劑種質(zhì)與恢復(fù)系或常規(guī)品種雜交與回交，選育攜帶純合顯性抗除草劑基因的恢復(fù)系，用顯性抗除草劑恢復(fù)系配制的雜交種在應(yīng)用時，一次施用除草劑可同時去除假雜種、非目的性雜種和雜草，得到整齊一致的雜種群體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用抗除草劑種質(zhì)與優(yōu)良不育系雜交與回交，選育攜帶隱性抗除草劑基因的不育系，用抗除草劑不育系繁種時，一次施用除草劑可同時去除其中的雜株和田間雜草，保證不育系的純度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用抗除草劑種質(zhì)與不育系雜交與回交，選育攜帶細胞質(zhì)抗除草劑基因的不育系；用攜帶細胞質(zhì)基因抗除草劑不育系制種時可與恢復(fù)系混種或貼行種植縮短父母本距離，以提高雜交種結(jié)實率與制種產(chǎn)量，這種雜交種在應(yīng)用時，可通過一次施用除草劑同時去除恢復(fù)系、雜株和雜草，獲得整齊一致的雜種群體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于抗除草劑基因在雜種優(yōu)勢利用中可單獨或組合應(yīng)用。
全文摘要
以谷子作為抗除草劑基因應(yīng)用于雜種優(yōu)勢利用中的模型作物。育成攜帶顯性抗除草劑基因的恢復(fù)系,其配制的雜種應(yīng)用時施用除草劑可去除假雜種、非目的性雜種和雜草;育成攜帶隱性抗除草劑基因的不育系,繁種時施用除草劑可去除雜株和雜草;育成攜帶細胞質(zhì)抗除草劑基因的不育系,制種時與恢復(fù)系混種或貼行種植可提高雜種結(jié)實率與產(chǎn)量,所配制的雜種應(yīng)用時施用除草劑可去除其中的恢復(fù)系、雜株和雜草。該技術(shù)可單獨或組合應(yīng)用。
文檔編號A01H1/02GK1247698SQ9811930
公開日2000年3月22日 申請日期1998年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月11日
發(fā)明者王天宇, 辛志勇, 丁國慶, 石云素, 王海波, 達門西 申請人:河北省農(nóng)林科學(xué)院, 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所, 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物品種資源研究所