Hybrid sterility is one of the major barrier to the application of wide crosses in plant breeding and is commonly encountered in crosses between indica and japonica rice varieties. Ten mapping populations comprised of two reciprocal F2 and eight BC1F1 populations generated from the cross between Ilpumbyeo (japonica) and Dasanbyeo (indica) were used to identify QTLs and to interpret the gametophytic factors involved in hybrid fertility or sterility between two subspecies. Frame maps were constructed using a total of 107 and 144 STS markers covering 12 rice chromosomes in two reciprocal F2 and eight BC1F1 populations, respectively. A total of 15 main-effect QTLs and 17 significant digenic- epistatic interactions controlling spikelet fertility (SF) were resolved in the the entire genome map of F2 BC1F1 populations . Among detected QTLs responsible for hybrid ferility, four QTLs, qSF5.1 and and qS F5.2 on chromosome 5, qSF6.2 on chromosome 6, and qSF12.2 on chromosome 12 were identified as major QTLs since they were located at corresponding position in at least three mapping populations. Loci qSF5.1, qSF6.1 and qSF6.2 were responsible for both female and male sterility, whereas qSF3.1, qSF7 and qSF 12.2 affected the spikelet fertility only through embryosac factors, and qSF9.1 did through pollen factors. Five new QTLs identified in this study will be helpful for understanding the hybrid sterility and for breeding programs via inter-subspecific hybridization.

Hybrid sterility is one of the major barrier to the application of wide crosses in plant breeding and is commonly encountered in crosses between indica and japonica rice varieties. Ten mapping populations comprised of two reciprocal F2 and eight BC1F1 populations generated from the cross between Ilpumbyeo (japonica) and Dasanbyeo (indica) were used to identify QTLs and to interpret the gametophytic factors involved in hybrid fertility or sterility between two subspecies. Frame maps were constructed using a total of 107 and 144 STS markers covering 12 rice chromosomes in two reciprocal F2 and eight BC1F1 populations, respectively. A total of 15 main-effect QTLs and 17 significant digenic- epistatic interactions controlling spikelet fertility (SF) were resolved in the the entire genome map of F2 BC1F1 populations . Among detected QTLs responsible for hybrid ferility, four QTLs, qSF5.1 and and qS F5.2 on chromosome 5, qSF6.2 on chromosome 6, and qSF12.2 on chromosome 12 were identified as major QTLs since they were located at corresponding position in at least three mapping populations. Loci qSF5.1, qSF6.1 and qSF6.2 were responsible for both female and male sterility, whereas qSF3.1, qSF7 and qSF 12.2 affected the spikelet fertility only through embryosac factors, and qSF9.1 did through pollen factors. Five new QTLs identified in this study will be helpful for understanding the hybrid sterility and for breeding programs via inter-subspecific hybridization.

The pollen grain is a unique tricellular structure suitable for the delivery of the sperm cells to the ovule. All nutrients required for microspore and pollen cell growth are derived by passage through the anther locule and secretion by the tapetum lining. During later stages the tapetum degenerates but contributes to produce pigments, waxes, lipids and proteins which form the pollen coat and function in signaling between male (pollen) and female (pistil) tissues. The development of both normal pollen and tapetum is necessary for the fertilization processes in rice and would be exploited for the induction of male-sterility which is very useful to improve economic value of crops. We aredeveloping new approaches using a conditional male-sterility for the F1 hybrid seed production in rice. The conventional three parental systems for F1 hybrid seed production requirethe following three lines: male-sterile line, maintainer line, and restorer line. In this system, a critical requirement is to maintain the male-sterile inbred lines. Here we suggest molecular approaches, in which the engineered male-sterile plants are generated by regulating endogenous hormonal balance through the loss-of-function of genes. We can expect the male-sterility can be restored by exogenous applications of hormones such as gibberellin or jasmonic acid. Based on two parental systems, we will address the answer onfollowing question: how can we maintain a male-sterile line producing 100% male-sterile progenies without a maintainer? This work was supported by grants from Crop Functional Genomics Center of the 21C Frontier Program (CG1517), RepublicKorea.

화청벼에서 유기시킨 심백경유 및 유전자적 웅성불임 돌연변이계통에 있어서 두 특성간의 상호관련성을 검토하였고, 종실의 몇가지 이화학적 특성을 밝혔다. 돌연변이계통의 생육형질과 불임의 안정성을 조사하였고 웅성불임화시 기를 추정하였다. 이들을 토대로 웅성불임종자의 조기 외관 식별에 의한 새로운 일대잡종품종 육성체계를 구상하였고 자연교잡율도 검토하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약된다. 1. 심백 및 유전자적 웅성불임 돌연변이는 다면발현 효과를 가진 단순열성유전자에 의해 지배되었다. 즉 이 돌연변이계통이 교잡된 분리집단에서 심백종자는 곧 웅성불임종자임을 확인하였다. 2. 심백종자는 외형과 크기는 정상종자와 동일하였으나 배유 중앙부위의 전분결정조직이 성기고 전분입자 모양도 원형~타원형 이었다. 따라서 1,000립중, 절대밀도, 경도 등이 정상종자에 비해 유의하게 낮아졌다. 3. 심백종자의 단백질함량과 알칼리 붕괴도는 정상종자와 동일하였으나 아밀로스함량이 유의하게 낮아졌고, 호응집성에서는 상당히 harder gel 특성을 보였다. 4. 웅성불임식물체는 정상식물체에 비해 초장 및 간장이 현저히 단축되었고 이삭추출이 불량하였으며 주당수수가 유의하게 적었다. 5. 화분발육단계 중 웅성불임화시기는 감수분열기 이전인 것으로 추정되었고, 이 웅성불임은 온도나 일장에 관계없이 항상안정적이었다. 6. 이 돌연변이체를 이용하여 일대잡종을 육성하는 체계를 구상하였고, 그 효율을 세포질적-유전자적 웅성불임(CGMS)이나 환경감응 유전적 웅성불임(EGMS) 등을 이용하는 체계와 비교하였다. 7. 분리집단에서 정조상태로 웅성불임증자를 선별시 비중선 단독으로는 비중 1.14~l.16 g/cm 에서 순도 85~90% 웅성불임종자의 순도로 웅성불임종자를 선별할 수 있었는데, 10~15%의 흔입된 정상종자는 파종 후 유묘 또는 일대잡종생산포에서 생육상태 판정으로 용이하게 제거할 수 있을 것으로 판단되었다. 8. 웅성불임계통의 자연교잡율은 수분조작처리구(GA3 처리+지엽절단+rope 사용 화분털기)에서 화분친 2열, 웅성불임 1열 재식시 17.3%로 가장 높았다.

단순열성 유전자에 의한 GMS민 IR36ms에 가야벼, 남풍벼, 신광벼 및 수원 296 등 4개 한국 수도품종을 각각 4회 연속 Bulk로 교잡시킨 BC3 F2 에서 웅성불임 개체를 얻어서 여기에 각 반복친을 1회 더 Backcross시킨 BC4 F2 세대에서 웅성불임 개체들을 선별하였다. 여기에 각 반복친을 교잡시켜 4품종의 Msms 유전자형을 얻고 이를 다시 BC4 F2 에서 선발한 웅성불임 개체(msms)에 교잡시키므로서 가야벼ms, 남풍벼ms, 신광벼ms 및 수원 296ms를 육성하였다. 이들 4개 웅성불임 계통들의 주당수수, 수당영화수, 출수기 및 수장은 모품종과 차이가 있었으나 웅성불임 계통들의 간장은 모품종에 비하여 단축되었다. 동일한 웅성불임 유전자를 가진 GMS 계통도 반복친에 따라 자연교잡 정도의 현저한 차이가 있었다. 가야벼ms는 11.5%, 남풍벼 ms는 13.1%, 신광벼ms는 1.9% 그리고 수원 296ms는 12.7%의 자연교잡율을 나타내었다. 화분친으로부터 15~90cm 거리 내에서는 가야벼 mS 및 남풍벼ms의 자연교잡율의 거리에 따른 차가 인정되지 않았다.

우리나라 수도 품종을 배경으로 한 세포질적 유전적 웅성불임계통들에 우리나라 품종의 임성회복친을 교잡시킨 HR1619A/남풍벼, HR1619A/가야벼, HR1619A/계통234, 통일A/남풍벼, 통일A/청청벼, 수원296A/계통209, 수원296A/계통237, 수원296A/계통252 및 계통201A/계통234 등 9개 Hybrid를 육성하고 이들의 수량 및 수량 구성요소, 흰빛잎마름병 저항성 및 미질을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1 공시된 9개 Hybrid들 중 계통201A/계통234, 통일A/남풍벼 및 HR 1619A/남풍벼 등 3개 Hybrid의 수량성이 높았는데 각각 우수친에 비해 36％, 17％ 및 10％의 증수(Heterobeltiosis)를, 표준품종인 청청벼에 비해 각각 19％, 17％ 및 14％의 증수(Standard Heterosis)를 보였다. 2. 공시된 Hybrid중 HR1619A/가야벼와 수원296A/계통237의 수량은 양친보다 낮았다. 3. 수량구성요소 중 수당입수의 잡종강세가 현저하였고 주당수수, 천립중 및 임실율의 잡종강세는 인정되지 않았다. 4. Hybrid의 흰빛잎마름병 저항성은 양친 중 강한친과 같은 반응을 보였다. 5. Hybrid들의 Amylose 함량은 20.8％∼24.7%였고 딘백질함량은 9.3％∼10.0％, 알칼리 붕괴도는 3.7∼7.0으로서 각각 양친품종과 비슷하였다.

중공의 CGMS (cytoplasmic-genetic male sterility)를 한국품종으로 이전하여 그들을 MS유지계통으로 쓸 경우 이들이 임성회복친과 교잡되어 발현될 것으로 기대되는 수중의 잡종강 세정도를 중공의 CGMS계통 및 그 유지계통들과의 잡종과 대비하여 조사검토하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약된다. 1. 수량의 잡종강세는 heterosis(F1 /MP)로 표현하여 113~221.1% 전체평균 150.5%이었고 hetero-beltiosis(F1 /better p)로 표현하여 86.1~179.8%전체평균 125.3%이였다. 품종군별로는 중공계통들이 가장 높았는데 유지계통들은 MS계통들보다 높았다. 다음으로 높은 것은 임성회복친들이었고 한국품종으로 유지계통들은 가장 낮은 잡종강세를 보였다. 2. 수량구성요소별로 잡종강세를 heterobeltiosis로 표현해 보면 수수는 전체평균 92.7%로 감소되었고 수당입수는 120.0%로 증가했으며 임실율은 103.0%로 유의할만한 변화가 없었고 천립중은 112%로 증가하였다. 증수에 크게 기여한 수당입수와 천립중의 heterobeltiosis를 품종군별로 보면 수량의 그것과 비슷한 경향이었다. 3. 수량구성요소가 수량에 기여한 정도를 임성회복친별 교배조합군별로 검토하기 위하여 경노계수를 계산하였더니 밀양46, 수원294 및 수원287 조합 모두에서 다같이 수당입수가 0.8073~0..8649로 가장 컸고 다음은 천립중으로 0.2000~0.5032이었다. 4. 품종군별 잡종조합의 수량을 교배조합능력이라고 간주하고 이것을 전체평균에 대한 비율로 계산하여 비교했는데 임성회복친 중 밀양46과 수원294는 일반조합능력은 비슷하나 특수조합능력은 차가 있고 S. 287은 일반조합능력이 떨어진다. 유지계통별로는 중공의 유지계통이 가장 높았고 한국유지계통이 가장 낮았다. 중공의 CGMS를 한국품종으로 이전하는데 있어서의 문제점을 검토하였다.

수도원연품종간 교배육종에 있어서 지리적 생태품종 간의 잡종 초기 세대의 생육일수와 불임성의 변이에 관한 지견을 얻고자 대표적인 Indica와 Japonica 그리고 그중간형인 Beaumont 품종과 Ponlai등 7개 품종을 상호 교배하여 IRRI(북위 14˚ 17')에서 F1 을 10시간 및 14시간 조명하에서 F2 를 단일건계의 자연일장하에서 재배하고 수원(북위 37˚ 16')에서도 F1 을 10시간 및 자연일장하에, F2 및 F3 을 자연일장하에 각각 재배하고 출수일수 및 불임율을 조사 연구하였다. 1. 출수일수 : 1) F1 들은 10시간 단일하에서는 조생이 만생에 대해 우성 내지 초월성으로 나타났고 14시간 장일하에서는 우성 내지 불완전 우성으로 나타났는데 IRRI와 수원에서 모두 같았다. 2) IRRI에서 단일시기에 재배된 F2 는 조생이 만생에 대해 불완전우성이며 분리는 연속적이었다. 수원에서 조기재배된 F2 는 대부분의 조합에서 조생이 불완전우성이거나 중간성으로 적기 재배된 F2 는 대부분의 조합에서 만생이 불완전 우성이거나 중간성으로 나타났다. 3) 극단의 만생간의 조합에 있어서도 유효 출수 가능한 초월분리 개체가 있었다. 4) 기본영양생장성이 긴 품종들의 조합에서는 변이의 폭이 넓었고 신품종의 평균과 친계열평균 변이계수와에는 높은 상관이 있었다. 5) F1 이나 중간친으로 F2 집단의 평균 출수일수를 예측할수 있으며 F2 평균과 F3 계통 평균과에도 높은 상관이 있었으나 IRRI에서 재배된 F2 개체와 수원에서 재배된 F3 계통간의 상관은 없었다. 6) IRRI에서 재배된 F2 와 수원에서 재배된 F3 계통간에는 통계학적으로 조정된 heritability가 매우 낮아서 출수일수에 관한 선발의 효과는 단일감응성 품종에 대해서는 기대하기 어렵다. 7) F1 및 F2 의 평균 출수일수는 정역교배간에 차가 없거나 극소하였다. 8) 잡종의 단일감응성 측정치를 친계열별 평균과 이 평균으로 부터의 편차로 구분 계산하여 단일감응성에 기여하는 양친들의 효과에 따라 친품종을 감응성품종과 비감응성 품종을 구분 할 수 있었다. 9) 단일감응성은 F1 이 양친보다 높으며 F2 , F3 으로 세대가 진전함에 따라 낮아진다. 10) 온도차에 따른 F1 의 출수일수 반응은 양친품종보다 작으며 장일과 단일하에서의 온도반응의 차이는 품종에 따라 차이가 있었다. 2. 불임율 : 1) IRRI에서도 수원에서도 다같이 F1 의 불임은 조합에 따라 차가 크며 친품종의 불임율과 상관이 없었다. 또 10시간 단일하에서는 14시간 장일하에서 보다 불임율이 높았다. 2) F1 에서 불임이 높았던 조합이 F2 에서도 높았으며 단일감응성이 높은 품종과 고온감응성이 높은 품종간의 조합에서 불임이 높았고 그 분산의 폭도 넓었다. 3) F2 평균은 F1 보다 낮으며 F3 계통들의 평균은 F2 평균보다 낮아 세대가 진전됨에 따라 불임율이 낮아지며 F3 에서는 조합간의 차가 현저하지 못하게 되었다. 4) F2 에 있어서는 화분불임과 종실불임간에 상관이 미약하였다. 5) F1 과 F2 평균의 불임율에는 정역교배간에 차가 없었다. 6) 잡종 불임을 잡종강세에서와 같이 Griffing의 방법에 따라 조합 능력 검정을 한 결과 SCA 효과는 GCA효과보다 컸는데 SCA효과가 특히 큰 것은 감광성이 높은 품종과 감온성이 높은 품종간의 조합들이였다. 7) IRRI에서 재배된 F2 와 수원에서 재배된 F3 과에는 불임에 관해 상관이 낮으며 F3 에서는 F2 에서보다 불임율이 낮아졌다. 8) F2 에 있어서 출수일수와 불임율과에는 상관이 거의 없었다.