雜交水稻莖蘗成穗性狀的配合力及其遺傳關(guān)系分析

黃永相，劉永柱，王 慧，郭建夫，陳志強*

(1.廣東海洋大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088;2.國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

莖蘗數(shù)是評價水稻植株個體生長及群體質(zhì)量的重要指標［1］，其發(fā)生遲早及多少直接關(guān)系到水稻生長后期群體冠層結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)運轉(zhuǎn)分配［1－3］。同時，莖蘗發(fā)育成穗狀況的優(yōu)劣，也決定了植株個體(群體)的有效穗數(shù)、光合面積及產(chǎn)物損耗，進而影響著水稻的產(chǎn)量形成［4－5］。在水稻超高產(chǎn)育種中，培育莖蘗數(shù)變化平穩(wěn)、成穗率高的品種(組合)已成為的主要研究方向之一［6－7］。國際水稻所(IRRI)提出以利用爪哇稻資源為主的“水稻新株型”育種計劃，其最突出指標就是少蘗大穗和無無效分蘗，即分蘗成穗率為100%［6］。我國提出“理想株型與雜種優(yōu)勢利用結(jié)合”的超級稻育種技術(shù)路線，就是要適當(dāng)增加株高，減少分蘗數(shù)，提高成穗率，生物產(chǎn)量與經(jīng)濟系數(shù)并重［7］。目前，這些研究［6－7］已表明水稻莖蘗成穗特性具有遺傳多樣性及可改良性，因此，對其配合力效應(yīng)及遺傳差異作進一步分析，將有助于雜交水稻親本莖蘗成穗特性的遺傳改良及組合選配。為此，本研究利用雜交秈稻7個不育系、4個恢復(fù)系及2個廣親和粳稻品種，按7×6NCII設(shè)計配制雜交組合，對其莖蘗成穗相關(guān)性狀的配合力、遺傳力特性進行分析，探索親本配合力表現(xiàn)與遺傳背景差異的關(guān)系，以期為水稻莖蘗成穗性狀的遺傳效應(yīng)及雜種優(yōu)勢利用研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

母本材料為7個秈稻不育系:Ⅱ－32A(A1)、珍汕97A(A2)、優(yōu)ⅠA(A3)、龍?zhí)馗(A4)、培矮64S(A5)、博A(A6)和博ⅡA(A7)，父本材料為4個秈稻恢復(fù)系及2個廣親和粳稻品種:直龍(R1)、廣恢128(R2)、明恢63(R3)、明恢86(R4)、02428(R5)和 Francis(R6)。

1.2 田間試驗方法

試驗在廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院科研基地試驗田進行。于2009年3月將上述親本材料進行播種種植，按照7×6不完全雙列雜交設(shè)計配制42個雜交組合。2009年7月20日播種42個雜交組合及其親本，8月10日移栽;試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，3行區(qū)，每行10穴，株行距21 cm×21 cm，每穴單苗，田間管理同大田生產(chǎn)。分蘗期在各小區(qū)選取生長較一致的5株定點(中間行)，每隔5 d調(diào)查1次莖蘗數(shù)，成熟期調(diào)查單株有效穗數(shù)。

1.3 SSR 分析

親本葉片DNA的提取參照 McCouch等［8］的 SDS法。根據(jù)水稻數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站 GRAMENE(www.gramene.org)提供的莖蘗成穗相關(guān)性狀QTL信息，選用56對在12條染色體上均勻分布的連鎖SSR引物對供試親本進行多態(tài)性分析。引物序列由上海生工公司合成。

PCR 反應(yīng)體系總體積為 20 μL，其中包括 2 ×PCR Reaction Mix 10 μL(100 mmol/L KCl，20 mmol/L Tris-HCl，3.0 mmol/L MgCl2，400 nmol/L dNTP);50 ～100 ng 的基因組 DNA，1 U 的 Taq 聚合酶和0.1 μmol/L引物。擴增程序為:94℃預(yù)變性5 min;94℃變性30 s，57℃退火30 s，72℃延伸1 min，循環(huán)35次;72℃再延伸10 min。80 g/L聚丙烯酰胺凝膠電泳，1 g/L硝酸銀染色。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

根據(jù)親本PCR擴增產(chǎn)物的電泳帶譜，每檢測到1條多態(tài)性帶視為1個等位基因，根據(jù)PCR擴增結(jié)果，在相同遷移位置有帶時記為1，無帶時記為0，缺失時記為9。按Nei等［9］的方法計算親本間相似系數(shù)(GS):GS=2Nij/(Ni+Nj);遺傳距離(GD):GD=1－GS，式中Ni為i親本出現(xiàn)的譜帶數(shù)，Nj為j親本出現(xiàn)的譜帶數(shù)，Nij為i親本和j親本共有的譜帶數(shù)。

成穗率=(有效穗數(shù)/莖蘗數(shù))×100%。以小區(qū)平均數(shù)為計算單位，參照莫惠棟［10］的方法進行配合力分析。百分數(shù)參數(shù)作反正弦轉(zhuǎn)換后計算，數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析在Excel 2003、DPS和NTSYS-pc2.1軟件下進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 各性狀的方差分析

42個組合莖蘗成穗相關(guān)性狀的方差分析結(jié)果列于表1。結(jié)果顯示，各性狀組合間均存在極顯著的遺傳差異。進一步對3個性狀作配合力方差分析發(fā)現(xiàn)，除莖蘗數(shù)的組合特殊配合力方差不顯著外，父本、母本的一般配合力方差及組合的特殊配合力方差在3個性狀中均達顯著或極顯著水平，表明莖蘗數(shù)主要由基因加性效應(yīng)所控制，而有效穗數(shù)和成穗率則受基因的加性與非加性效應(yīng)共同作用。

表1 莖蘗成穗性狀方差分析Tab.1 Variance analysis for combining ability of three tillering characters

2.2 親本的一般配合力效應(yīng)和特殊配合力方差分析

對13個親本的一般配合力效應(yīng)和特殊配合力方差進行估算，結(jié)果列于表2。同一性狀不同親本間一般配合力效應(yīng)值存在顯著或極顯著差異。如成穗率，恢復(fù)系02428和Francis的一般配合力效應(yīng)值顯著高于其它親本材料，說明這些親本在相同性狀上的基因加性效應(yīng)大小存在差別。此外，同一親本不同性狀間一般配合力效應(yīng)值也存在明顯不同。如Francis的莖蘗數(shù)、有效穗數(shù)一般配合力效應(yīng)值在所有親本中為最低，但其成穗率一般配合力效應(yīng)值卻為最高。整體來看，親本中以不育系博A、博ⅡA和恢復(fù)系明恢86、02428的表現(xiàn)較好，其莖蘗成穗性狀的一般配合力效應(yīng)值多為正值。

特殊配合力方差是度量親本在組配的雜交組合中特殊配合力效應(yīng)的變異度，特殊配合力方差大的親本，配組時出現(xiàn)極端表現(xiàn)后代的概率比特殊配合力方差一般的親本要高［10］。由表2可以看出，同一親本不同性狀間及同一性狀不同親本間的特殊配合力方差也都存在一定的差異。其中，6個恢復(fù)系的莖蘗數(shù)、有效穗數(shù)和成穗率的平均特殊配合力方差分別為54.39、125.16和30.01，7個不育系則相應(yīng)為55.95、128.74和30.86，不育系莖蘗成穗性狀的平均特殊配合力方差略高于恢復(fù)系。3個莖蘗成穗性狀特殊配合力方差均較高的親本有優(yōu)ⅠA、博A、博ⅡA、直龍和明恢86。因此，結(jié)合一般配合力效應(yīng)值和特殊配合力方差結(jié)果，親本中不育系博A、博ⅡA和恢復(fù)系明恢86的綜合表現(xiàn)最優(yōu)，用其組配的后代容易出現(xiàn)莖蘗數(shù)多、成穗高的雜交組合。

表2 13個親本的一般配合力效應(yīng)值及特殊配合力方差Tab.2 Effects of general combining ability and variance of special combining ability of 13 parents

2.3 組合的特殊配合力效應(yīng)分析

表3列出42個組合的特殊配合力效應(yīng)值及其成穗率配組類型?？梢钥闯?，同一組合不同性狀間的特殊配合力效應(yīng)差異明顯。以優(yōu)ⅠA/02428為例，其莖蘗數(shù)特殊配合力較低，為－0.18，但其有效穗數(shù)及成穗率特殊配合力較高，分別為13.16和13.02。同樣，同一親本所配組合間特殊配合力效應(yīng)也有差異，如博A所配組合的莖蘗數(shù)、有效穗數(shù)和成穗率變化范圍分別為－4.71～11.37、－11.90～20.56和－8.94～6.74，這些不同性狀間和組合間的差異性在一定程度上反映了親本間基因互作的多效性。

對雙親一般配合力及組合特殊配合力效應(yīng)值作進一步分析。首先依據(jù)一般配合力效應(yīng)值是否與0差異顯著，將雙親分別劃分為高、中、低3種類型，以顯著高于0為高，顯著低于0為低，與0差異不顯著為中［10］。根據(jù)上述一般配合力效應(yīng)值分類標準，分析比較莖蘗成穗率特殊配合力效應(yīng)值與一般配合力效應(yīng)值的關(guān)系。結(jié)果表明，特殊配合力效應(yīng)值高的組合幾乎可以在任一的雙親一般配合力效應(yīng)值類型組合中出現(xiàn)。例如在4個最高特殊配合力效應(yīng)值組合(博ⅡA/明恢63、優(yōu)ⅠA/02428、龍?zhí)馗?直龍和博A/直龍)中，雙親一般配合力效應(yīng)值配組類型有高×高、高×中、中×中和中×低四種，這與低特殊配合力效應(yīng)值組合的雙親類型相類似。說明雜交組合莖蘗成穗率的特殊配合力效應(yīng)值高低與雙親一般配合力效應(yīng)值的高、低組合關(guān)系并不密切。

表3 42個組合的特殊配合力效應(yīng)值及成穗率的雙親一般配合力組合類型Tab.3 SCA in 42 hybrids and its parental GCA grouping of productive tiller percentage

2.4 親本性狀間配合力方差及遺傳參數(shù)估算

為進一步分析親本及其互作對雜交后代性狀的影響，根據(jù)隨機模型估算了各性狀的一般配合力和特殊配合力基因型方差及其在總方差中的比重(表4)。由表4可看出，莖蘗數(shù)、有效穗數(shù)和成穗率的一般配合力基因型方差均在60%以上，說明親本間加性效應(yīng)對F1代的莖蘗成穗性狀形成起主要作用。在一般配合力基因型方差中恢復(fù)系、不育系所占的比重因性狀而有所不同，但恢復(fù)系基因型方差占一般配合力方差比重均大于不育系，表明恢復(fù)系對F1代莖蘗成穗性狀的形成作用要大于不育系，因此在雜交F1的莖蘗成穗性狀選配過程中，應(yīng)多考慮恢復(fù)系的性狀表現(xiàn)。

根據(jù)配合力方差分析結(jié)果估算了3個性狀的廣義遺傳力和狹義遺傳力，結(jié)果顯示各性狀的遺傳力大小有所差異。其中莖蘗數(shù)、成穗率的廣義遺傳力和狹義遺傳力均高于50%，而有效穗數(shù)僅分別為47.09%和33.07%。此外，在3個莖蘗成穗性狀中，有效穗數(shù)和成穗率的狹義遺傳力都明顯低于廣義遺傳力，說明這兩個性狀易受非加性效應(yīng)即環(huán)境變異的影響。

表4 配合力方差及群體遺傳力分析Tab.4 Analysis of variance of combining ability and heritability

2.5 配合力與遺傳關(guān)系的相關(guān)性

為更好地闡明親本一般配合力及組合特殊配合力與親本間遺傳差異的關(guān)系，選擇56個與莖蘗成穗性狀QTL連鎖的SSR標記，對13個親本間的遺傳距離進行估算(表5)。結(jié)果共檢測到184個等位基因，每對標記檢測出0～6個等位變異，平均為3.41個。其中，引物RM511、RM248、RM564均能檢測出6個等位變異。以SSR標記多態(tài)性位點所賦值的0/1數(shù)據(jù)計算13個親本間的相似系數(shù)為0.467～0.848，相應(yīng)的標記遺傳距離0.152～0.533，平均為0.329。由表5可見，親本博ⅡA與Francis間的遺傳距離最大，為0.533，而親本龍?zhí)馗與直龍間遺傳距離最小，僅為0.152。

表5 13個親本間的遺傳距離Tab.5 Genetic distance among thirteen parents

表6 配合力效應(yīng)值與表型值、中親值、標記遺傳距離的相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficients among combining ability，phenotypic value，mid －parental value and genetic distance with molecular markers

對F1莖蘗成穗性狀的配合力效應(yīng)與表型值、中親值及親本間標記遺傳距離進行相關(guān)分析(表6)。結(jié)果表明:F1代莖蘗成穗性狀的雙親一般配合力效應(yīng)值之和與特殊配合力效應(yīng)值的相關(guān)系數(shù)介于－0.000～0.111，均未達顯著水平，說明蘗成穗性狀的一般配合力與特殊配合力之間并不存在明顯的內(nèi)在聯(lián)系。然而，F(xiàn)1代莖蘗成穗性狀的雙親一般配合力效應(yīng)值之和與表現(xiàn)值、中親值及雙親間遺傳距離的相關(guān)性均達極顯著或顯著水平，莖蘗數(shù)、有效穗數(shù)和成穗率的相關(guān)系數(shù)范圍相應(yīng)為0.784～0.927、0.678～0.891和－0.697～0.614。在特殊配合力效應(yīng)值與其表型值、中親值和親本間標記遺傳距離的相關(guān)中，除特殊配合力效應(yīng)值與表型值的相關(guān)系數(shù)為0.544，達極顯著水平外，其余相關(guān)性均未達到顯著水平。

3 討論

3.1 雜交水稻莖蘗成穗性狀的遺傳特點

水稻不同時期的莖蘗數(shù)是一個由多基因系統(tǒng)控制性狀［11］。Murai等［12］認為加性效應(yīng)在莖蘗系統(tǒng)發(fā)育過程中占主導(dǎo)地位;Ahmad等［13］研究則表明顯性效應(yīng)和上位效應(yīng)也具有重要作用。梁永書［14］從日本晴/廣陸矮F2群體檢測出的5個分蘗相關(guān)主效QTL中，3個以加性效應(yīng)為主，2個以顯性效應(yīng)為主。本研究結(jié)果顯示，不同莖蘗成穗性狀間加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)的作用程度不同，其中莖蘗數(shù)主要由基因加性效應(yīng)所控制，有效穗數(shù)、成穗率則受基因加性與非加性效應(yīng)共同作用，并以前者為主。說明雜種F1莖蘗成穗性狀的形成是以親本基因加性效應(yīng)為主，但基因非加性效應(yīng)也不容忽視，這與前人研究結(jié)果相似。此外，本研究結(jié)果還顯示，有效穗數(shù)和成穗率的廣義遺傳力都高于狹義遺傳力，兩性狀的差值分別為14.02%和24.80%，表明其非加性遺傳作用較為突出，通過親本直接遺傳給雜種F1的能力相對較弱，易受環(huán)境因素影響。

3.2 雜交水稻莖蘗成穗性狀的親本選配相對重要性

關(guān)于雜交水稻親本對F1代性狀形成效應(yīng)的研究已有很多報道［15－20］，然而所得結(jié)果因取材、試驗設(shè)計及研究性狀不同而異。呂建群［15］、余守武［16］、廖伏明［17］、宋宇等［18］研究認為雜交稻組合中大多數(shù)農(nóng)藝性狀受恢復(fù)系的影響要比受不育系的影響大，僅少數(shù)性狀受不育系的影響較大;吳天華［19］、劉克琦等［20］研究結(jié)果則相反。本研究通過對父本、母本及其互作對F1代貢獻率進行比較分析，結(jié)果表明3個莖蘗成穗性狀受恢復(fù)系的貢獻率均高于不育系，特別是莖蘗數(shù)性狀的恢復(fù)系貢獻率高達71.80%。因此，在雜交水稻親本選配時，應(yīng)注意加強恢復(fù)系的選育，才能提高組合莖蘗成穗性狀的雜種優(yōu)勢水平。

3.3 雜交水稻莖蘗成穗性狀配合力與親本間遺傳差異的關(guān)系

親本間的配合力效應(yīng)及遺傳距離測算是預(yù)測作物雜種優(yōu)勢的兩種重要途徑，親本間的配合力效應(yīng)在某種程度上可視為親本間遺傳距離的度量［21］，因此，兩者間應(yīng)存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。但目前關(guān)于配合力與遺傳距離關(guān)系的研究，不同的學(xué)者得出的結(jié)論不同。黃明等［22］研究認為分子標記遺傳距離與雙親一般配合力之和間呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，侯荷亭等［23］研究認為親本遺傳距離與特殊配合力之間存在極顯著拋物線回歸關(guān)系。而倪先林［24］、劉宏偉等［25］則認為親本遺傳距離與特殊配合力間不存在明顯的相關(guān)性。本研究對莖蘗成穗性狀SSR標記遺傳距離與配合力效應(yīng)之間的關(guān)系進行研究，發(fā)現(xiàn)親本間標記遺傳距離與F1的特殊配合力效應(yīng)的相關(guān)并不明顯，而與雙親一般配合力效應(yīng)值之和間呈極顯著或顯著相關(guān)。因此，在水稻莖蘗成穗相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢研究中，利用分子標記技術(shù)對組配親本進行遺傳差異檢測，將有助于提高親本的選擇效率。

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