技术领域
本发明涉及农作物育种领域，具体地，涉及一种快速有效培养糯稻新品种 和杂交稻的方法，还涉及一种定向改善禾谷类作物选定性状及转育不育系的方法 及其应用。
背景技术
禾谷类作物是我国的主要粮食作物，包括小麦、大麦、黑麦、燕麦、水稻、 高粱等，在植物学上均属禾本科草本植物。
水稻是重要的禾谷类作物，有籼粳之分，籼包括籼稻和籼糯，粳包括粳稻 和粳糯。稻米供人类食用的主要部分是胚乳中的淀粉，淀粉有直链淀粉和支链 淀粉。糯稻与非糯稻的区别在于胚乳的淀粉组成比例不同，非糯型的水稻直链 淀粉含量较高，在10-30wt％之间；糯型的水稻直链淀粉含量则低于3wt％。在 表观上非糯型的米粒色泽呈透明或浅透明状，用碘-碘化钾对米粒横切面进行 染色，呈兰色；糯型的米粒色泽呈蜡质状，用碘-碘化钾染色，呈橙黄色。水 稻胚乳中的直连淀粉含量和胶稠度是稻米品质评价中的重要指标。
经典遗传学研究表明：无论籼糯还是粳糯，其糯性主要是受单基因控制； 遗传上非糯是野生型，表现为显性；糯属突变型，遗传上表现为隐性；糯与非 糯杂交，杂种籽粒全部为非糯。由于，糯性子粒呈蜡质状，所以，把这个基因 称之为蜡质基因(waxy，WX)。
分子遗传学研究表明：蜡质基因是稻米胚乳淀粉合成的主要基因，它所编 码的结合在淀粉粒上的淀粉合成酶(granule bound starch synthase，GBSS) 负责直链淀粉合成。一旦该基因发生结构改变，就可能引起转录和翻译的错误， 使淀粉合成酶失活或者活性下降，从而导致胚乳中直链淀粉含量下降，支链淀 粉比例增加，子粒就呈蜡质状，糯性增加，就成为糯米。
糯米是酿造和食品工业的重要原料，对人们的日常生活有着重要影响。江、 浙、皖、沪是粳型糯稻的重要栽培区，常年种植面积为三、四百万亩以上，然 而糯稻种植地分散，面积不集中，因此糯稻产量很低，品种较少。随着市场经 济的发展和人民生活水平的提高，人们对糯米的产量和品质也有更高的要求， 糯稻的品质改良备受关注。因此，本领域迫切需要开发新的培养糯稻新品种和 杂交稻的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速有效培养糯稻新品种和杂交稻的方法。
本发明的另一目的是提供一种定向改善禾谷类作物选定性状和转育不育 系的方法以及一种使用上述方法获得的选定性状被改善的植物细胞。
在本发明的第一方面，提供了一种对禾谷类作物的选定性状进行定向改善的 方法，所述方法包括步骤：
(a)用乙基甲烷磺酸或其盐处理所述作物的种子；
(b)对经步骤(a)处理的种子进行种植，获得所述禾谷类作物的植株或作物谷 粒；和
(c)对所述的作物植株或作物谷粒进行分析，选出选定性状被改善的植株或谷 粒。
在另一优选例中，步骤(a)中所述乙基甲烷磺酸或其盐的浓度为0.05-5wt％， 较佳地0.1-2wt％，更佳地0.5-1wt％。
在另一优选例中，步骤(a)中乙基甲烷磺酸或其盐处理时间为2-24小时，较佳 地5-15小时，更佳地10-12小时。
在另一优选例中，步骤(a)中所述的处理是将作物种子与浓度0.5wt％的乙基甲 烷磺酸盐溶液浸泡12小时。
在另一优选例中，所述方法还包括步骤；
(d)用选出的选定性状被改善的作物谷粒进行传代、杂交、和/或育种。
在另一优选例中，所述的选定性状包括：耐寒性、耐热性、产量、糯性、株高、 株型、或千粒重。
在另一优选例中，所述的禾谷类作物包括：水稻、大麦、小麦、或高粱。
在另一优选例中，所述的作物为水稻，并且对收获的谷粒进行直链淀粉含量分 析，选出糯性被改善的植株或谷粒。
在另一优选例中，所述的糯性被改善的植株或谷粒的直链淀粉含量低于3wt％。
在另一优选例中，所述的植株或谷粒的直链淀粉含量低于2.5wt％，更佳地低 于2.0wt％。
在本发明的第二方面，提供了一种植物细胞，所述的植物细胞来源于用本发明 第一方面所述方法获得的选定性状被改善的禾谷类作物。
在本发明的第三方面，提供了一种用本发明第一方面所述方法获得的选定性状 被改善的禾谷类作物的用途，它被用作禾谷类作物不育系的转育。
在本发明的第四方面，提供了一种禾谷类作物不育系转育的方法，所述方法包 括步骤：
(a)用本发明第一方面所述的方法对禾谷类作物的选定性状进行定向改善，从 而获得选定性状改善的品种；
(b)用步骤(a)获得的选定性状改善的品种与原品种的雄性不育系杂交和回 交；
(c)对收获的回交子粒进行分析，选出选定性状被改善的子粒；
(d)种植步骤(c)得到的选定性状被改善的子粒；
(e)对步骤(d)的选定性状被改善的不育系进行育性和性状分析，得到雄性不育 系；
(f)将步骤(d)的雄性不育系与恢复系杂交，得到选定性状改善的杂交种。
在本发明的第五方面，提供了一种乙基甲烷磺酸或其盐的用途，它被用作对禾 谷类作物的选定性状进行定向改善的诱变剂。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施 例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技 术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1显示了寒丰糯稻米粒和寒丰粳稻米粒的色泽差异。
图2显示了寒丰糯稻米粒和寒丰粳稻米粒的碘-碘化钾染色差异。
图3显示了9746糯稻米粒和9746粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。
图4显示了恢6糯稻米粒和恢6粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。
图5显示了恢9糯稻米粒和恢9粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。
图6显示了秀水128糯稻米粒和秀水128粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染 色差异。
图7显示了寒丰糯稻米粒和寒丰粳稻米粒的RVA曲线比较结果。
图8显示了寒丰糯突变体选育转育过程。
图9显示了寒丰糯不育系的转育过程。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种对稻米的糯性进行改善 以及利用被改善的糯性品种进行不育系转育的方法。具体地，通过对特定雄性 不育保持系和雄性不育恢复系的种子进行处理，在处理后代群体中进行糯性子 粒或单株选择，完成雄性不育保持系和雄性不育恢复系的糯性转换；并通过糯 性转换后的雄性不育保持系与原有雄性不育系杂交转育完成原有雄性不育系 的糯性转换，创建成糯性发生转换的雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育 恢复系。本发明方法与传统的转育方法相比，失败风险和培育时间减少了一半， 且获得的新品种遗传稳定，品质优良，适于大面积推广。在此基础上完成了本 发明。
作物
如本发明所用，作物是指直接或间接为人类需要而栽培的植物。作物包括 但不局限于：禾谷类作物、油料作物、薯类作物、豆类作物。薯类作物等。其 中禾谷类作物是我国的主要粮食作物，包括小麦、大麦、黑麦、燕麦、水稻、 高粱等，在植物学上均属禾本科草本植物。
作物育种
作物育种是作物改良的重要途径，主要有以下几种方法：
1.自然突变育种
传统的育种主要来源于自然突变，但由于自然突变随机发生无法预测，且 频率太低，目前已无人问津。
2.杂交育种
杂交是父本和母本间整套染色体的杂交和重组，牵涉到成千上百个基因， 因此，通过杂交的方法培育新品种在遗传上纯合慢，育种时间长。
3.随机诱变育种
主要是辐射和化学诱变，辐射诱变产生的突变是随机发生，无法预测；而 且，往往造成染色体或染色体片段结构性变化，或大范围DNA碱基变化，以至 出现致死、不育、植株畸形等重大伤害；遗传上存在难于纯合的缺点。
4.转基因育种
虽然通过转基因方法导入某个特定基因能定向改变目标基因的表达和活 性，但是存在明显的缺点：(a)转基因作物的安全性短期内不能预测；(b)转基 因操作过程复杂、费时；(c)转基因作物费用大。
乙基甲烷磺酸或其盐(EMS)
EMS是一种化学诱变剂，常被遗传学家用于突变体的诱导、分离、鉴定和 分子遗传学的研究。EMS的作用机理主要是在DNA的复制过程中，将鸟嘌呤烷 基化，从而使其无法与胸腺嘧啶配对，导致生物体DNA的碱基变化，使基因的 结构和功能发生改变，最终造成相关性状或特性发生改变。
由于EMS诱导的突变通常是单个碱基发生变化，因此引起的是点突变。点 突变只是某个相关基因发生改变，不容易牵涉到其他基因和性状，影响范围小， 且遗传比较容易稳定。
正是因为EMS所诱发的突变多数为点突变，因此变异少，幅度小，所发生 的突变不易被观察和加以选择。所以必须采用特殊的定向观察和鉴定方法。
EMS预处理
如本发明所用，EMS对禾谷类作物预处理是指：对浸种后的种子用一定浓 度的EMS浸泡一定时间。
在本发明中，EMS的浓度和处理时间没有特别限制。通常，EMS的浓度为 0.05wt％-5wt％，较佳地0.1wt％-2wt％，更佳地0.5wt％-1wt％，EMS的处理时间为2-24 小时，较佳地5-15小时，更佳地10-12小时。在另一优选例中，所述的处理是将 作物种子与浓度0.5％的乙基甲烷磺酸盐溶液浸泡12小时。
定向改善禾谷类作物的选定性状
将经EMS处理后的谷粒充分冲洗干净，室温催芽，粒播育秧，移栽成活的秧苗， 并于当季混合收获。待第二季再进行育苗和单株移栽、收获。单穗脱粒，定向初筛 和复筛，大田种植进行最终性状鉴定。水稻糯性改善的突变体选育的整体流程见图 8。
杂种优势和杂交水稻育种
杂种优势指杂交子代在生长活力、育性和种子产量等方面都优于双亲均值 的现象。杂交水稻具有强大的杂种优势和抗逆性，无论是籼型还是粳型普遍表 现比常规品种增产，尤其是籼型杂交稻增产幅度更大，因此，杂种优势利用是 水稻育种的方向和重要内容。
水稻杂种优势利用的核心技术是三系选育和配套，所谓三系是指：
1.雄性不育系(代号A)：稻株外部形态与普通水稻没有差别，但雄性器官 发育不正常，花粉败育.不能自花授粉结实；雌性器官发育正常，能接受外来 花粉而受精结实。
2.雄性不育保持系(代号B)：由于不育系本身的花粉是不育的，自交不 结实，不能通过自花传粉繁衍具有不育特性的后代。必须要有一个正常可育的 特定品种给不育系授粉并能结实，使不育系的后代仍保持其雄性的不育特性， 这种能使不育系性能-代一代保持下去的特定父本品种称为雄性不育保持系。 雄性不育保持系的稻株雌雄蕊发育均正常，将其花粉授予雄性不育系的雌蕊， 不仅可结成种子，而且种子播种后仍生长发育成雄性不育植株。
3.雄性不育恢复系(代号R)：一些正常可育的品种花粉授给不育系后，结 实正常，而且新产生的杂种一代育性恢复正常，能自交结实，并具有较强的优 势。这种能够恢复不育系雄性繁育能力的品种叫雄性不育恢复系。
目前糯稻的杂交育种还处于起步阶段，既没有不育系，更谈不上新组合选 配和试种推广。一方面，糯稻种质资源有限，也没有合适的糯稻雄性不育系、 雄性不育保持系和雄性不育恢复系可供利用；另一方面，糯稻转育时间长(通常 需要4-6年)，风险大。
糯稻杂种优势利用的技术体系
以水稻三系法为例，生产上利用的是具有产量优势的杂种，而杂种的产生， 必须要有相应配套的雄性不育系、雄性不育保持系和雄性不育恢复系(简称三 系)。雄性不育系和雄性不育保持系除了育性不同外，其它性状要求相同，雄性 不育系因自身没有花粉，无法自交结实，它只能依靠雄性不育保持系的花粉， 通过杂交来结实，并维持它的雄性不育特性；雄性不育系通过与雄性不育恢复 系杂交，能获得杂种，而且，具有杂种优势。在籼稻中，通过选育和转育，不 仅三系配套，而且，有许多强优势的高产优质组合；在粳稻中，通过转育也完 成了三系配套，和育成了许多高产优质组合。但是，无论籼稻还是粳稻，糯稻 极少，其原因是：雄性不育系转育时间长(四年八代)；极大多数粳糯品种没有 恢复基因，只能起到雄性不育保持系的作用，要三系配套必须通过转育的方法， 培育雄性不育恢复系，而且，该恢复系必须具有杂种优势。
稻谷淀粉黏度(RVA)谱分析
RVA谱特征值是基于黏度速测仪和相关配套分析软件而诞生的一种谷物品 质评判指标，在稻米的品质改良中，RVA谱的特征值与稻米的理化、蒸煮、食 味品质指标关系密切。通过对不同的RVA谱特征值品种遗传分析、RVA谱与稻 米品质和产量的相关关系、不同环境因素对品种RVA谱的影响等问题的深入研 究，RVA谱分析作为稻米品质辅助选择技术在育种实践中已经得到广泛的应用。
本发明的主要优点包括：
1.EMS诱导稻米糯性突变方法是随机和广泛有效的。
2.定向改善选定性状具有很高的可操控性，欲多获得突变体，可通过增加 EMS处理的种子数量来加以调节。
3.遗传快速稳定：EMS是诱导碱基发生点突变的诱变剂，即使牵涉到其他 基因，也因是单基因点突变，很容易纯合稳定。
4.育种高效廉价：本发明方法的实验用地和费用可控制在2-3亩和3万元 以内，且在一年(二季)时间内完成选定性状的改变，在二年内可完成雄性不育 系的转育和新组合选育。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说 明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方 法，通常按照常规条件如Sambrook等人，分子克隆：实验室手册(New York：Cold Spring Harbor Laboratory Press，1989)中所述的条件，或按照制造厂商所建 议的条件。
实施例1
EMS处理种子
1.选择5个粳稻品种(寒丰、9746、恢9、恢6、秀水128，都来自上海农 科院作物所)，共16800粒种子。在26℃培养室内用蒸馏水浸种24小时，倒去 蒸馏水，并用干毛巾将种子吸干。
2.将EMS试剂稀释成0.5wt％浓度的300毫升溶液倒入瓷盆，并在摇床上 轻微摇动，处理12小时。
实施例2
种子催芽及粒播
倒去EMS处理液，用自来水流动冲洗6小时，将种子吸干并倒在瓷盆的湿 滤纸上，上面复湿滤纸和湿毛巾进行催芽。萌芽后定时翻动，待芽长至3毫米 时，进入大田秧板进行粒播。移栽前统计成活的秧苗数，确定诱变致死频率。
实施例3
混合收获及集团种植
待成活的秧苗长至5叶时进行移栽，所有秧苗全部单株栽插，按常规管理。 在水稻成熟时，统计抽穗的单株数，并按株收取穗顶部2粒种子，全部种子混 匀。第二年，按常规方法育苗，单株移栽。成熟时按株各收一穗，统计收获单 株数。
实施例4
定向改善水稻糯性
1.从EMS诱导群体中选择糯稻突变体，通过子粒出糙后的外观目测进行粗 筛，大量淘汰子粒外观为透明的非糯型个体。如图1所示，初步选择的寒丰糯 稻米粒颜色呈蜡质状，不透明；而寒丰粳稻颜色透明。
2.对粗筛入选的子粒外观为蜡质的糯型个体进行碘-碘化钾染色，如图2 所示，子粒纵切面为橙色的为糯型个体，子粒纵切面为蓝色的为非糯型个体。
图3-图6分别显示了不同品种的糯稻和粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色 差异结果。图3为9746糯稻米粒和9746粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差 异。图4为恢6糯稻米粒和恢6粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图5 为恢9糯稻米粒和恢9粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。图6为秀水128 糯稻米粒和秀水128粳稻米粒的色泽和碘-碘化钾染色差异。由此看出，本发 明方法处理的不同品种的谷粒都有一定比例的糯性转变，且效果明显。
实施例5
糯性突变的频率测定
在目测和碘-碘化钾染色鉴定为纯合株系后，进行单独种植和收获，进行 直链淀粉含量鉴定，直链淀粉含量低于3wt％的为糯稻突变体，统计糯性突变率。 表1为不同粳稻品种EMS处理后发生糯性突变的频率结果。
表1
品种 株数 糯稻株数 寒丰 2532 2 9746(2009) 2140 2 恢9(2009) 1746 3 恢6-1(2009) 1834 5 秀水128(2009) 1700 5 秀水128(2008) 1530 3 总计 11482 20
用EMS分别处理5个粳稻品种的16800粒种子，成活植株为8432株，收获 种子16890粒；种植后正常抽穗结实的植株11482个，其中获得20个糯性突变 体，突变频率为0.174％。本发明方法处理的种子突变频率稳定，重现性高。
实施例6
寒丰、寒丰糯和寒丰糯雄性不育系的直链淀粉含量测定
采用本领域通用的方法(如农业部颁布的标准“NY-147-88”方法)，对种 子进行直链淀粉含量(AC)。
结果表明，本发明的水稻糯性改善的突变体寒丰糯其直链淀粉的含量为 2.1wt％，远低于原品种寒丰的直链淀粉含量(18.1wt％)。由寒丰糯转育成的寒 丰糯雄性不育系的直链淀粉含量为2.2wt％，与本发明突变体极为相似，而与原 品种差异较大，因此本发明的突变体遗传十分稳定。
实施例7
RVA测定
稻谷淀粉黏度(RVA)采用澳大利亚Newport Scientific仪器公司生产的 RVA-Ezi进行快速测定，并用TCW(thermal cycle for windows)配套软件分析。根 据AACC操作规程，称取粉样含水量约为14.0wt％，3.0g放入圆柱形的铝盒里，加 25.0ml蒸馏水充分混匀后在黏度分析仪RVA-Ezi上测定。在搅拌过程中，铝罐内 温度样品在50℃下开始糊化并保持1min，然后在3.9min内温度逐渐上升到95℃ 保持2.4min，后在3.9min内又匀速地下降到50℃并保持1.8min。搅拌器在起 始10s内转动速度为960rpm，后保持在160rpm。
黏滞性值用RVU(RVA黏度单位)表示，全过程测定完成需要13min，每阶段的 温度变化及时间均由电脑控制，黏度特征值的一级数据可从计算机上直接读取糊 化开始起浆温度(PAT)、最高黏度(PKV)，热浆黏度(HPV)、冷胶黏度(CPV)、峰值时 间(PET)，而崩解值(BDV：最高粘度-热浆粘度)、回复值(CSV：冷胶粘度-热 浆粘度)、消减值(SBV：冷胶粘度-最高粘度)的二级数据则有一级数据计算所得 值。
表2
结果如图7所示。原品种寒丰在6.3min时，其粘度为270.0左右，而本发 明的突变体寒丰糯在3.4min时，其粘度约为150.0，有明显的差异。表2表明， 寒丰糯与寒丰糯A的糊化开始起浆温度、最高黏度等9个值无显著差异，二者 与原品种寒丰的起浆温度、最高黏度等9个值有明显差异。
实施例8
三系配套构建及不育系转育
本发明的三系配套的构建流程见图9。由于糯稻突变体仅是蜡质基因发生 突变，而其他特征特性仍维持原样，所以，糯稻突变体实际上是原品种的一个 糯稻拟等位基因系。由于原品种是一个雄性不育保持系，用该糯稻突变体与原 品种的雄性不育系杂交和回交，在回交后代的子粒中，通过剥壳米粒色泽鉴定 和碘-碘化钾进行染色鉴定，选择蜡质状糯性子粒，其糯性子粒出现的比例为 50％。将糯性子粒和非糯性子粒分别发芽，单独种植，通过生长期间的农艺性 状鉴定和抽穗前后的花粉鉴定，发现群体内单株生长整齐，主要农艺性状与原 品种雄性不育保持系一致，而且，抽穗时与原品种雄性不育保持系一样花粉败 育，表现为雄性不育。用糯稻突变体进行套袋回交，能正常结实，所得种子， 经鉴定都表现为糯稻子粒。
由此证明该雄性不育系为转育而成的保持原品种性状的糯稻新雄性不育 系。用糯稻恢复系与该糯稻新雄性不育系杂交，杂种种子都表现为蜡质状糯稻 子粒。种植后，后代表现可育，而且具有明显的杂种优势。
实施例9
寒丰、寒丰糯和寒丰糯不育系的生育期比较
将寒丰、寒丰糯和寒丰糯不育系同时间种植于同一田块，定期观察生育期， 并记录于表3。
表3
表3说明本发明的糯稻突变体及其不育系与原品种生育期的没有明显差 异。
实施例10
寒丰、寒丰糯和寒丰糯不育系的主要农艺性状比较
将寒丰、寒丰糯和寒丰糯不育系同时间种植于同一田块，定点抽样考查其 农艺性状。比较结果见表4。
表4
表4说明用发明方法获得的糯稻突变体及其不育系与原品种主要农艺性状 没有明显差异。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献 被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后， 本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。